Assessment the influence of ground stratification,tunnel and surface buildings specifications on shield tunnel lining loads (by FEM)

Urban development and rapid extension of cities have been accompanied by a considerable growth in mechanized shield tunnelling. Commonly precast concrete segments are used as tunnel lining which comprises relatively considerable part of tunnelling cost. The optimum design of lining needs to an accurate evaluation of loads acting on the lining.In this paper, the effects of ground stratification, surface buildings specifications and tunnel depth on lining loads were studied. For this purpose a 3D finite element model was used employing the ABAQUS software (Ver. 6.11). The geometry of tunnel, lining segments, injection grout and the surrounding soil properties were adopted from the under construction Tabriz urban railway line 2 project.The results show that the studied parameters have considerable effects on lining loads. For mentioned case study, surface buildings with 5 and more story have a considerable effect on lining loads, especially for shallow tunnels. The geometry of surface buildings influences the internal forces of the tunnel lining and increase of buildings width and length increases the lining loads. The building width is the most important parameter and with increase of that the influence of other parameters increases. Also by comparison of obtained results in this study with results of 2D analysis, reliability of 2D models was investigated. The comparisons show that 3D analysis is superior to 2D analysis, particularly in the cases of surface buildings presence. The difference between results increases with decrease of building length and increase of tunnel depth and building weight.     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较.研究结果表明:盾构掘进过程会引起...     

营运期地铁盾构隧道动力响应分析

采用三维动力有限差分法,考虑接缝、管片分块和软土地层等因素,对广州地铁四号线埋置于深厚软土地层之中的盾构隧道在地铁营运期间动力响应进行深入分析,并对考虑管片接缝与否2种计算模式进行比较分析。研究结果表明,地铁列车动载作用下,隧道动力响应自底部向顶部逐渐衰减,强烈区主要集中在下半部。管片环动力响应与接缝分布有关,临近接缝部位的动力响应值比远离接缝部位的动力响应值要大些。隧道基土动力响应强烈区主要分布于贴近管片环外围的一定范围内,越接近管片环、愈接近隧道底部,基土动力响应愈为强烈。地层动力响应由隧道壁往外快速衰减,受振区主要集中在距隧道中心约2倍隧道直径范围的近域地层内。当针对管片衬砌结构本身进行动力响应分析时,若把管片衬砌当整体考虑则会引起较大误差,故应考虑管片接缝;当针对地层进行动力响应分析时可不考虑接缝而把管片衬砌当成整体考虑,由此带来的误差在一般情况下可忽略不计。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

高水压岩质盾构隧道施工期结构内力分析

 在使用大型跨江海盾构法进行水下隧道施工时,主要存在的流固耦合问题是：掘进过程中引起的流固耦合效应对管片结构内力的改变。结合重庆主城排水过长江盾构隧道工程,选取典型断面,按连续介质理论,采用有限元数值模拟手段进行分析。对该典型断面采取水土合算和考虑耦合效应2种方式来计算管片结构内力分布,并和现场实测数据进行验证。研究结果表明,在水下盾构法施工期间,管片截面最大内力出现在刚拼装完时,长期地下水渗流会减小管片截面内力。从流固耦合角度来研究管片结构受力特征,可为类似的工程设计及施工提供有益的参考。     

盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析

不同的地质条件、施工方法、隧道埋深以及衬砌刚度等条件的差异，会不同程度地影响隧道衬砌上荷载的分布。结合上海软土盾构法隧道设计和施工的具体情况，分析影响软土隧道衬砌荷载的影响因素，可为地铁隧道的设计和施工提供参考。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

双圆盾构隧道衬砌结构设计及参数研究

评价了盾构隧道衬砌结构设计模型及其发展现状,指出不同计算模型的特点和适用范围,通过上海地铁M8线实际工程对不同计算模型进行了分析和对比,重点讨论了双圆DOT(Double-O-Tube)盾构隧道结构计算中各种设计参数对计算结果的敏感性。研究结果表明,双圆盾构隧道结构计算中,目前常用的几种计算模型(修正惯用法、梁-弹簧模型等)都能满足工程设计的具体要求,关键在于计算参数选择的合理性和匹配性。不同的设计参数对结构计算结果的影响程度各不相同,对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略,否则计算结果将偏不安全。     

地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究

为研究施工荷载作用下,管片局部抗压及环缝等薄弱部位的受力性能,对钢纤维混凝土管片的力学性能进行了三维数值模拟及现场试验,研究内容包括:(1)千斤顶作用下管片的局部抗压性能;(2)盾构直线推进及纠偏工况时管片的力学性能。研究结果表明,在最大施工荷载(900kN)作用下,管片局部抗压性能及手孔等应力集中部位均满足设计要求。同时,管片在施工荷载作用下没有裂缝产生,说明钢纤维混凝土管片抗裂性能较强。这也表明钢纤维的加入,大大提高了混凝土管片的力学性能,钢纤维混凝土管片用于地铁隧道工程是可行的。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross-section shield machine

Construction has commenced on the world's first shield driven double track subway tunnel of rectangular shape for the Kyoto Municipal Subway. Full-scale loading tests were performed on lining segments to confirm the adequacy of their design. Also, as a method to excavate a rectangular cross-section, a ‘wagging cutter shield,’ which is equipped with rotating cutters that perform oscillating movement, was adopted. This paper presents a report on the overall planning, the tests that were performed in the process of planning, and the results of initial driving.     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究

 与普通山岭隧道不同,海底隧道深埋于海床之下,地下水的处理是其修建过程中的关键问题,而隧道渗水量控制及衬砌结构水荷载确定又是地下水处理的核心问题。采用“堵水限排”的设计理念,设计海底隧道复合衬砌结构防排水系统,可以实现以较小的排放量明显折减甚至消除作用在支护结构上的外水压力,使海底隧道衬砌结构设计更经济。基于地下水水力学理论,推导海底隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力的计算方法,并结合厦门海底隧道工程实践,采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。在此基础上,提出海底隧道复合衬砌合理注浆加固圈参数的确定方法,并在厦门翔安海底隧道穿越F4风化深槽的合理注浆加固圈参数设计中取得成功应用。研究结果可为海底隧道或富水区高水头山岭隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

封顶块位置对盾构隧道管片结构力学特征与破坏形态的影响分析

对于盾构隧道管片衬砌结构而言,封顶块位置对其在相同荷载条件的力学响应及破坏失稳特征具有显著的影响,通过将渐进性破坏理论引入到盾构 隧道管片衬砌结构病害发生及扩展过程分析中,采用相似模型试验研究方法,从盾构隧道管片的声发射数据、结构位移及内力、宏细观裂纹发生及扩展等方 面,比较分析封顶块位置对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明：①封顶 块的位置不同,使得因环向接头的位置不同,在外荷载一样的情况下,管片与地层的协调变形不同,导致整环管片的整体刚度不同,封顶块位于拱腰时其整 体刚度相对其他两组较大;②封顶块不同位置对结构失稳时的最大局部变形位置有较大影响,临界失稳时的最大位移与隧道半径之比相差不大,均在2%~3% 之间;③封顶块不同位置对管片结构开始产生宏观裂缝的荷载级别及产生位置也有较大影响,封顶块位于拱腰时,开始产生宏观裂缝的荷载级别相对其他两 组大,主裂缝和压溃区发生的位置较多。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

Long-term settlement behavior of ground around shield tunnel due to leakage of water in soft deposit of Shanghai

The lining of shield tunnel is usually composed of segments, in which the joints, cracks, and the grouting holes (hereafter called lining deficit) exist. During the long-term running, soils and groundwater may leak from these kinds of lining deficit. The leaking of soil and groundwater causes the long-term ground loss around tunnel and thus results in the settlement of ground surface. This paper aims to analyze the impact of the leakage of groundwater through segments on the long-term settlement of ground surface. The adopted analytical method is based on the theory of groundwater seepage by using numerical simulation. The analyzed results show that settlement of ground surface increases gradually with the increase of the leaked volume of tunnel segments. When the leaked volume was unevenly distributed, differential settlement occurred locally. Comparative analysis by changing the leaked volume was conducted. The results reveal that there is a linear relationship between settlement and leaked volume when the leaked volume was controlled within the allowable limit.     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

爆破振动对邻近盾构管片影响的测试与分析

台山核电站取水隧洞是我国首条用泥水盾构施工的越海隧洞,因工程需要,需在已建1号隧洞旁海底基岩段和孤石段地层进行钻孔爆破及预加固处理。由于爆破属无临空面爆破,爆破振动较大,必须将爆破振动对邻近已建隧洞管片结构的影响控制在容许范围内。研究结果表明:现场实测振动数据受环境干扰较大,需先进行滤波处理;基于处理后的数据进行数值动态响应分析,并通过控制爆破药量及其他减振措施,证明基岩段及孤石段爆破时对邻近隧洞管片影响较小,结构总体较安全。     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

隧道壁后注浆体的探地雷达探测模拟试验研究

针对现阶段软土盾构隧道壁后注浆施工过程中存在的问题,通过对隧道管片后的探地雷达探测目标体的模拟试验研究,充分展示了隧道壁后充填“探测对象”时电磁波的传播规律。结合室内实体管片壁后注浆体和砂层的探地雷达无损探测模拟试验的研究成果,和基于射线追踪原理的GPR数据二维正演结果,对隧道壁后注浆体的分布形态进行了准确的识别。结果表明：隧道壁后注浆材料的期龄,分布形态对GPR探测的剖面图具有显著的影响。试验对探地雷达准确探测和解释盾构隧道盾尾壁后注浆效果具有十分重要的作用。