类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究.研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度...     

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。     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

广义的隧道塑性等效连续化模型研究

本文在传统纵向等效连续化模型基础之上,通过引入横向刚度有效率来考虑横向刚度的变化,对塑性状态下纵向等效连续化模型进行理论推导,得出考虑横向刚度有效率的塑性状态纵向等效抗弯刚度计算式,从而将盾构隧道横向刚度的变化与纵向等效刚度分析在塑性领域结合起来。结果表明,塑性状态下,随横向刚度减小,截面受压区面积增大,隧道纵向等效抗弯刚度有效率减小。传统纵向等效连续化模型可以看作是该模型的特例。本文的研究成果对于盾构隧道纵向变形分析具有一定的参考价值。     

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯纯弯拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析

盾构隧道作为一个三维问题,其横向性能与纵向性能是密切联系的,将其横向和纵向割裂为两个平面问题,虽然可使问题简单化,但无法考虑纵横向性能的匹配关系。在横向修正惯用法的基础上,将横向弯曲刚度有效率引入到纵向等效连续化模型的推导中,对考虑横向刚度影响的盾构隧道纵向等效抗弯刚度进行理论推导,得到了考虑横向刚度有效率的纵向等效抗弯刚度计算式,从而初步将纵向刚度的分析与横向刚度的变化统一起来,进而也说明了盾构隧道纵、横向抗弯刚度的相关性和匹配性。实例分析表明：盾构隧道横向抗弯刚度的大小与纵向等效抗弯刚度关系密切,表现为同方向、近线性关系变化,即纵向抗弯刚度随横向抗弯刚度的增大而增大。     

临近基坑开挖对地铁区间隧道影响评价

地铁附近的基坑施工是影响区间隧道及地铁车站正常运营的一个重要性因素。若施工方案不当或保护措施不够,很可能引起区间隧道发生过大的不均匀变形。针对基坑开挖对地铁区间隧道的影响评价,本文提出了一种数值方法与解析方法相结合的新方式。首先利用纵向刚度等效和横向刚度等效原则建立了模拟区间盾构隧道的三维等效连续化模型,实现较为精确且方便的三维弹塑性有限元分析;然后采用三次多项式曲线进行拟合,分析基坑开挖各工况下隧道的纵向变形曲率的变化;另外,利用解析推导建立纵向弯矩和管片接头环缝张开量之间的关系,从而实现在三维弹塑性数值模拟结果的基础上结合解析推导的全面评价,为地铁区间隧道的运营阶段保护提供参考。     

错缝拼装衬砌纵向螺栓剪切模型的研究

首先，建点三维有限元模型对盾构法隧道错缝拼装衬砌进行了分析；然后，在对三维有限元分析结果研究的基础上，建立了环缝处的纵向螺栓剪切模型，利用该模型可以计算得到错缝拼装衬砌二维梁-弹簧模型中环间剪切弹簧的刚度；最后，把此剪切模型应用到错缝衬砌的二维分析中，通过与三维计算结果的对比，认为螺栓剪切模型可以较好地模拟错缝隧道三维工作状态中纵向螺栓的剪切作用。     

软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究

地铁通车运行后,会因多种原因产生盾构隧道纵向不均匀沉降,诸如列车振动、渗漏、土体不均匀性等。隧道纵向过大,不均匀沉降会严重影响地铁的运行安全。基于某地铁隧道的纵向沉降实测数据,分析了纵向沉降对隧道结构安全性的影响。首先用抛物线分段模拟了隧道的纵向变形,得出了隧道纵向变形曲率;然后以等效轴向刚度模型为基础,建立了隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。通过对计算结果的分析,可较全面地了解整个隧道的纵向沉降以及隧道管片环缝张开量的现状,从而为软土隧道的运营阶段维护、改善结构和防水设计、施工方法等提供依据。     

考虑碳化的地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学模型研究

长期服役的地铁盾构隧道内表面混凝土会产生碳化现象,从而改变纵缝接头的受力性能。针对地铁盾构隧道服役期混凝土碳化典型工况,考虑接缝面细部构造、正常及碳化混凝土不同非线性受力特性、接缝面接触特性以及螺栓预紧等因素,构建可以表征接缝面混凝土压碎、螺栓屈服以及接头极限状态的纵缝接头抗弯力学模型,并结合纵缝接头抗弯足尺试验对碳化后地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能进行对比分析,验证工程设计适用性。研究结果表明：采用全积分形式进行纵缝接头混凝土本构关系运算,适用研究混凝土碳化的影响;负弯矩作用下,内表面边缘混凝土接触之前,混凝土碳化无明显的影响;接触之后,随着碳化厚度增加,螺栓应变、接缝张开量及压缩量等最大值均增大,极限弯矩也相应增大,但增幅不断减小;轴力不会对碳化后的纵缝接头力学性能产生明显耦合影响。     

天津滨海Z2号线盾构隧道接头螺栓比选及抗弯刚度研究

针对不同形式螺栓接头,充分考虑复杂接缝间的不连续性及接头预紧力,以天津滨海Z2号线盾构隧道管片纵缝为研究对象,分析比较了直螺栓、斜螺栓和弯螺栓三种接头在不同弯矩和轴力条件下对管片接缝力学性能的影响。根据分析结果给出了三种螺栓接头的适用性,以及三种螺栓接头在不同埋深、弯矩作用下的抗弯刚度建议值。研究结果表明:螺栓形式对螺栓最大受力位置影响很小;螺栓拉应力和接缝张开量随轴力的增大而减小,但接头抗弯刚度均随之增大;螺栓拉应力、接缝错台量和张开量随弯矩的提升而增大,但接头抗弯刚度随之减小。     

盾构隧道纵向接头局部足尺试验研究

沿盾构隧道纵向,管片环与管片环之间的接头称之为纵向接头。纵向接头是变形的薄弱部位,在变形过程中受到相邻管片的约束,其受力特点与管片接头不同。文章首先采用数值模拟方法,研究纵向接头局部试验的可行性,然后开展纵向接头局部足尺试验,研究接头的受力变形特征,所得结论如下：对纵向接头进行分析时,对比整环模型及纵向等效刚度梁模型计算结果,两者接头张开量、螺栓应力相差在11%以内,管片结构塑性损伤区分布特征基本一致,故纵向等效刚度梁模型可作为纵向接头局部足尺试验的依据;纵向接头局部足尺试验时,纵向接头张开量的变化对轴力更加敏感,螺栓应变增长与环间力(轴力、弯矩)的增加基本保持一致。接缝转角在环间拉力下趋近于0,且追随环间弯矩的变化;各工况中构件表面混凝土最大拉应变出现在套筒侧管片外表面中部,最大压变出现在手孔侧管片的内表面。破坏试验中,纵向拉力3232kN时管片结构先于螺栓破坏,此时螺栓未达屈服强度。     

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。     

Longitudinal structural modelling of shield tunnels considering shearing dislocation between segmental rings

Shield tunnels in soft deposits are often subjected to differential settlement and longitudinal structural deformation during long-term operation. Since the shear stiffness in circumferential joints between rings is relatively low, shearing induced dislocation between segmental rings becomes a significant aspect of longitudinal deformation of tunnels. The longitudinal deformation mode comprises both rigid rotation of segmental rings (bending mode) and dislocation between rings (dislocation mode). The existing modelling method is usually based on Euler–Bernoulli beam theory, which only considers the bending effect and ignores the shearing deformation. This paper proposes a new longitudinal structural model to consider the shearing dislocation between rings. In the proposed model, the tunnel is simplified as a homogenous Timoshenko beam, and an equivalent shear stiffness is proposed to consider the influence of joints. Since Timoshenko beam theory considers both flexural deformation and shear deformation of the beam, it can describe the actual deformation mode of a tunnel reasonably. The proposed model is compared with the traditional Euler–Bernoulli beam model based on a field measured longitudinal deformation of a Shanghai metro tunnel. The results indicate that the traditional Euler–Bernoulli model overestimates the longitudinal internal forces of a tunnel. The proposed model based on Timoshenko beam theory predicts a smaller joint opening and a greater dislocation between rings than the Euler–Bernoulli beam model.     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

越江盾构隧道纵向不均匀沉降控制指标值研究

随着我国越来越多的越江隧道投入运营,由多种因素导致的隧道纵向不均匀沉降逐渐得到重视。为了保证车辆的正常运行以及越江隧道的结构安全,需要对隧道的纵向不均匀沉降进行控制,并提出合理的控制指标值。在修正的等效连续模型基础之上,笔者对纵向弯曲造成的越江隧道不均匀沉降的控制指标值进行了研究,同时,针对环向错台造成的越江隧道纵向不均匀沉降,研究了相对弯曲的合理取值。研究结果表明:当纵向曲率半径相同时,越江隧道的环缝张开量大于地铁隧道;在相同的环缝张开量条件下,越江隧道的纵向曲率半径随隧道直径的增大近似呈线性增长;当相对弯曲值相同时,越江隧道的错台量是地铁隧道的1.5至2倍。因此,相对于地铁隧道,应对越江隧道纵向不均匀沉降控制指标值提出更严格的限制。     

越江盾构隧道纵缝张开与收敛变形响应关系

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况,是影响地铁正常运营的重要因素。依托南京扬子江大断面盾构隧道,建立了单环管片精细化数值模型,以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性,研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。结果表明：(1)纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素,管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态;(2)对于大变形情况(>8‰D),不建议将提高螺栓预紧力作为控制收敛的主要手段;(3)得到的“纵缝张开-收敛变形”拟合公式,可用于估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。