基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析

为探明盾构隧道纵向变形性能及抗弯刚度有效率的取值,基于模型试验,根据相似理论对通缝、错缝及匀质圆筒模型进行纵向模型试验研究。分别对3种纵向试验模型进行了加载试验,采用数据采集系统测试加载过程中的管片模型的纵向变形,得到了各级荷载下通缝、错缝及匀质圆筒模型纵向变形规律及其抗弯刚度有效率,并对试验结果进行对比分析。结果表明:1盾构隧道纵向变形与荷载基本呈线性关系;2通缝、错缝隧道纵向抗弯刚度有效率分别在0.18~0.39和0.20~0.40;3通缝和错缝隧道的纵向弯曲变形性能基本一致,错缝拼装效应对盾构隧道纵向变形的影响并不明显,研究成果可为盾构隧道的设计提供参考。     

软土地区盾构隧道弯曲刚度有效率取值研究

修正惯用法以其概念明确、理论成熟和计算便捷的特点在盾构隧道设计中被广泛应用。弯曲刚度有效率η是修正惯用法中的重要参数,其取值对于隧道结构的计算结果具有至关重要的影响。研究基于荷载结构法,利用有限元计算软件ABAQUS建立了匀质圆环模型和梁-弹簧模型,研究了盾构隧道在软土地区通错缝拼装、基床系数和接头相对刚度对弯曲刚度有效率η的影响。通过对数值模拟计算结果进行整理,得到了弯曲刚度有效率η的拟合公式和通错缝拼装弯曲刚度有效率η的转化公式,为确定修正惯用法中的弯曲刚度有效率η提供了计算方法和参考依据。     

基于足尺试验的管片纵缝接头刚度分析

为了研究上海地铁通缝拼装盾构隧道的结构承载力学特性,进行了通缝隧道结构荷载足尺试验,试验通过24个加载点施加水平集中荷载来模拟盾构隧道周围土体的分布荷载。通过反演分析结果及足尺试验观测结果,对管片纵缝接头刚度与结构变形的总体趋势进行了分析。试验结果表明,管片的纵缝接头抗弯刚度随着结构变形的增加而呈现出减小趋势,主要与管片接头受压区混凝土受压面积减小有关,其次还与受压区混凝土破坏和螺栓发生塑性变形有关。基于纵缝接头刚度的衰减特性,运营期盾构隧道安全评估时管片环的刚度有效率提出结合盾构隧道结构的变形状态进行合理取值。     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

 针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。     

大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究

通过对盾构隧道横向刚度有效率的影响因素进行分析,提出了针对大断面水下盾构隧道横向刚度有效率的原型试验求解方法,进而对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构开展原型试验,得出两座隧道管片结构 和 随荷载条件变化的规律。结果表明,在同等荷载条件下,断面越大, 越小,对应 越大,错缝结构的 大于通缝结构。正弯区与负弯区的 不同,对于不同的管片结构型式, 与 的对应关系不同。同时,针对两座隧道不同结构形式给出了 , 的关系曲线,并提出了 10 m 级和 15 m 级水下盾构隧道通缝与错缝条件下 与 的建议值。     

盾构管片错缝拼装的一种简化计算有限元模型

盾构隧道衬砌存在通缝和错缝拼装两种形式,错缝拼装情况下,管片接头的有限元模拟存在一定难度.在采用壳-弹簧模型模拟衬砌前提下,提出一种计算盾构管片错缝拼装的简化有限元模型,同时验证了此模型的合理性.分析成果对目前盾构管片的设计具有一定的参考价值.     

超大直径泥水平衡盾构隧道抗浮结构试验研究

超大直径盾构隧道衬砌在同步注浆浆液中上浮是其施工时必须关注的问题,而现行阶段还未对此有合适的计算理论和计算方法。文章以上海长江隧道工程为研究背景,利用1∶1衬砌水平整环错缝结构进行试验,对上浮问题进行研究。研究表明,同步注浆7天后的强度可基本达到周边土体强度。采用衬砌整环试验方式对盾构隧道衬砌抗浮性能进行试验研究,能较好地模拟衬砌结构的受力特征,试验确定了刚度折减系数取值和管片环间螺栓抵抗能力,利用弹性地基梁模型对大直径盾构隧道上浮问题进行计算,并与试验结果进行了对比。研究成果为此类大直径盾构隧道浅覆土段施工和设计提供了依据。     

内张钢圈加固盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

为提高既有盾构隧道结构的极限承载力,以通缝拼装盾构隧道结构为对象,设计了两种加固类型的足尺试验。对试件进行了模拟上部堆载作用下的静力加载试验,分析了结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载力等,考察了内张钢圈加固方法对于提高结构受力性能的作用。研究表明:内张钢圈加固方法是一种合理有效的加固方法,能显著提高既有盾构隧道的整体刚度和承载能力;采用整环或半环方式加固后盾构隧道结构的受力性能相近,加固结构的破坏模式均是由于局部粘结失效所导致的结构破坏。     

青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

纵缝转角刚度、纵缝（环缝）剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数，历来是本领域研究的重点和热点。结合青草沙水源地原水工程，通过管片接头 原型荷载试验 ，对上述关键计算参数进行研究。试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型，负弯矩作用下转角刚度近似成线性，而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同。在纵缝和环缝剪切试验中，管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段，其中错动主要发生在第二阶段。弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小。并且当纵缝转角刚度较大时，弯矩传递系数较小，反之亦然。最后结合试验结果，给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些 有益 的结论，以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

广义的盾构隧道纵向等效连续化模型研究

 在传统纵向等效连续化模型基础上,考虑横向刚度的影响及纵向环缝影响范围,提出广义的盾构隧道纵向等效连续化模型。以耀华支路磁浮盾构隧道为工程背景,分析得到隧道纵向刚度有效率随横向刚度和环缝影响范围的变化规律。结果表明,随横向刚度减小,截面受压区面积增大,隧道纵向等效刚度有效率减小;随环缝影响范围的增大,纵向等效刚度有效率减小。传统纵向等效连续化模型和修正的纵向等效连续化模型可以看作是该模型的特例。研究结果对盾构隧道纵向稳定性分析具有一定参考价值。     

盾构隧道的纵向抗震分析研究

将盾构隧道简化为一维的杆系 ,其周围的土体看作是粘弹性材料 ,将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题 ,利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法 ,对盾构隧道进行纵向抗震分析。同时 ,根据盾构隧道接头的特点 ,用接头单元来模拟管片的纵向接头 ,并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

盾构隧道衬砌管片接头张合状态力学模型及数值模拟

盾构隧道衬砌管片接头处的力学性能极为复杂,采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析,研究衬砌管片及接头纵向连接螺栓的受力及变形特性。研究结果表明：管片局部刚度折减后整体管片的竖向位移及大变形范围均增大,管片水平位移变化量小,刚度折减区的水平位移略微减少,但影响整体管片内力分布均匀性;基于管片接头力学模型及变形协调原理,管片接头纵向连接螺栓的变形及其变化规律与整体管片的基本相同,但变形量相对较小,且螺栓水平方向变形减少量高于竖直方向的;管片接头纵向连接螺栓轴力基本为压力,承受压力的螺栓占全部螺栓的94.4%以上,弯矩及剪力值较小,其中弯矩沿隧道上下对称分布,剪力沿隧道左右两侧对称分布。本研究可为深入分析管片及接头的力学性能提供参考与借鉴。     

软土盾构隧道结构理论与模型试验研究

本文通过上海典型地质条件下的盾构隧道结构的相似模型试验量测的模型结构纵向位移分布和纵向的地基土反力(土压力)的分布与结构原型相应理论结果的对比分析,表明尽管理论值比试验值大,但两者的规律相同,通过适当调整局部均布荷载作用下弹性地基梁解析解完全可以满足纵向设计需要,为局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构在设计阶段就考虑避免和减小地铁隧道结构运营阶段出现纵缝过量变形所致的渗水、漏水、纵向开裂等既增加运营维护费用又影响地铁安全的问题奠定了基础。     

Simplified analytical method for evaluating the effects of overcrossing tunnelling on existing shield tunnels using the nonlinear Pasternak foundation model

The excavation of a new tunnel above an existing shield tunnel at close proximity may cause a series of adverse impacts on the underlying tunnel. Thus, a reasonable assessment of the existing shield tunnel’s responses to overcrossing tunnelling is crucial to ensuring the safety and serviceability of the existing shield tunnel. In this study, a simplified nonlinear analytical method is proposed to rapidly assess existing shield tunnel responses to overcrossing tunnelling. A nonlinear Pasternak foundation model (NPFM), considering the nonlinear deformation of the ground as well as the interaction between adjacent springs and upward tunnel displacement, is proposed for modelling the tunnel-soil interaction associated with unloading stress. An effective Newton’s iterative computational program, combined with the finite difference method, is developed for the nonlinear responses of the existing shield tunnel. The reliability and applicability of the proposed method are subsequently validated by a comparison with the results of three-dimensional finite element analyses and two well-documented and published field measurements. The predictions are also compared with the results of six elastic simplified analytical methods based on different subgrade reaction moduli.     

盾构法隧道地表变形影响因素多尺度数值模拟

采用三维非线性有限元数值方法,对上海典型地层中盾构推进过程进行了精细模拟,研究了多几何尺度下盾构外径、隧道埋深及土层力学性质等非施工因素对地表变形的影响。计算结果表明,盾构机外径的尺度效应和隧道埋深对地表变形影响显著;不同尺度下修正剑桥模型中与土性有关的对数硬化模量λ及泊松比μ与地表变形正相关,而临界状态有效应力比M与变形之间的关系不是单调增加或减小的关系。研究成果为软土地区盾构隧道多几何尺度的模型试验和设计施工参数的选取提供了依据。     

基于随机森林的复合地层盾构#br# 切口泥水压力预测与分析

盾构切口泥水压力是维持开挖面稳定最重要的因素。针对目前切口泥水压力与盾构掘进参数之间关系不明确的问题,基于Python提出了一种随机森林预测模型。以京张高铁清华园隧道工程为依托,考虑盾构几何参数、施工掘进参数以及泥水参数等因素的影响,通过网格搜索方法以及5折交叉验证法进行模型超参数调整,建立了盾构切口泥水压力的随机森林预测模型。研究结果显示随机森林模型对于复合地层盾构切口泥水压力预测具有较高的准确性与泛化性,在训练集与测试集的表现得分分别为0.963与0.946,结合RMSE和R2等各项数据的评估再次验证了该模型的预测能力。最后通过重要度分析得到对模型预测影响较大的参数分别为泥舱压力、埋深比、推力和扭矩。该研究可为同类条件下盾构开挖面切口泥水压力的预测提供一种有效的方法,对于泥水盾构开挖面的预测控制具有重要的现实意义。     

盾构法和浅埋暗挖法结合建造地铁车站的模型试验

 针对目前国内区间盾构施工和车站施工工期矛盾的问题,提出盾构法和浅埋暗挖法结合建造地铁车站的新方案。通过1∶10大比尺模型试验研究,介绍模型地层、开挖方案和支护方案的模拟,比较真实地再现新型车站的施工过程。得到盾构管片应变、收敛变形和洞周土体变位在整个车站施工过程中的变化规律。试验结果表明在模型地层构造和地应力的条件下,采用试验中的施工开挖方案和支护方案能够保证车站洞室在整个施工过程中的安全稳定,证明提出的新型车站施工技术是可行的。