盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

考虑剪切作用的盾构隧道管片接头力学模型研究

目前使用较广泛的盾构隧道管片接头研究模型往往视切向为刚性,大多考虑了轴力与弯矩的共同作用而忽视了剪力作用。然而剪切力可能会使接头位置发生剪切位移,严重时可能引起管片剪切破坏、隧道错台等。该文将轴向、切向和转动三个方向的位移作为已知荷载,分别推导接头区域内螺栓与混凝土结构的刚度矩阵,然后对刚度矩阵进行合成,得到管片接头考虑剪切时的力学模型。并以狮子洋盾构隧道工程为依托,对比了有限元法与该模型的计算结果。研究表明,模型与有限元法计算的结果规律相同,两者具有较好的一致性。该文建立的模型考虑了轴向、剪切及弯曲三个方向上荷载的耦合作用,使之更符合接头的实际情况。研究成果对补充管片接头力学模型有一定参考价值。     

大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究

大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

水下盾构法铁路隧道管片衬砌结构的 原型加载试验研究

针对我国第一条水下铁路盾构法隧道——狮子洋隧道,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置原型管片衬砌结构,在通缝和错缝不同的拼装方式下进行了原型结构加载试验,对其结构力学性能进行深入探讨。试验结果表明,不同水压条件下管片衬砌结构力学特征不同,尤其是当结构开裂后,高水压对于结构内力与形变的发展有明显的减缓作用。狮子洋隧道采用的榫式接头管片结构在通缝与错缝拼装下的破坏特征不同,通缝拼装时结构在高水压条件下纵缝附近区域易发生局部剪切破坏,该研究成果可为同类工程的设计提供有价值的参考。     

基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立

管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型（简称恒定模型）进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯力学模型研究

针对大断面盾构隧道复杂接缝面管片接头特点,考虑其接缝面细部构造、混凝土及传力衬垫的非线性力学特性、接缝面荷载传递特性以及接头螺栓预紧作用等因素的影响,建立了能够表征管片接缝面混凝土开裂与压碎、螺栓屈服以及接头破坏的管片接头抗弯力学模型,并结合管片接头抗弯足尺试验对大断面盾构隧道管片接头的抗弯性能进行对比分析。研究结果表明:弯矩较小时接缝面最大张开量增长较缓慢,当弯矩超过一定量值后,接缝面最大张开量显著增长;接缝张开高度超过螺栓位置而使螺栓受拉后,张开高度随弯矩增长幅度逐渐减小并趋于稳定值;负弯时接缝面的张开时机及螺栓的受力时机晚于正弯;轴力越大,接缝面的张开时机越晚,同等大小弯矩条件下张开高度的越小;管片接头抗弯刚度随弯矩增长总体呈非线性减小特点,轴力对于抗弯刚度的保持有益,轴力越大接缝面的抗弯能力越持久。研究结果可为大断面盾构隧道管片接头的设计提供指导与参考。     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。     

孔边有加强环的轴对称球壳圆孔的应力集中

本文讨论孔边有加强环的球壳圆孔应力集中的轴对称问题。导出了径向弯矩、环向轴力、径向轴力的内力集中系数公式。文中对各种几何参数（孔洞尺寸，环梁截面尺寸，环梁与壳面的偏心距）下的内力分布作了详尽的讨论。就泊松比ν＝０，壳面作用有法向面荷载ｑ和孔边作用有线荷载ｐ的情况，分别作了径向弯矩，环向轴力，径向轴力的内力集中系数表格。对于加强环内的弯矩，也给出了计算公式和表格。这些表格可供设计单位直接应用。①②③     

盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。