城市轨道交通盾构隧道的横向抗震设计

介绍了盾构隧道横向抗震设计中重力作用的计算方法、反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法。为了验证这些方法的适用性,设定某地质条件下的典型圆形盾构隧道为基准模型,使用反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法计算盾构隧道的结构内力、直径变形率。结果表明:反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法,三者计算结果最值的大小、出现位置并不一致,且反应位移法和反应加速度法的计算结果要大于基于等效线性化的时程法的计算结果。     

基于振动台试验的粉质黏土隧道抗震计算方法修正

地下结构的地震响应特性对地层特性具有较强敏感性。基于振动台模型试验,提出了一种粉质黏土隧道的结构动力时程计算方法,并计算确定了适合粉质黏土中隧道结构抗震计算的反应位移法。研究结果表明：采用经验公式计算的弯矩更接近动力时程的计算结果,而有限元计算的隧道结构的轴力更接近动力时程计算结果。同时,建议在粉质黏土隧道结构抗震计算过程中,将隧道埋深范围内土层相对位移简化为线性变化,并乘以系数0.7;地基弹簧刚度乘以系数1.1。研究结论可为粉质黏土隧道抗减震设计提供参考。     

盾构隧道半径及埋深对其地震响应的影响分析

针对目前出现的大半径盾构隧道,通过建立土-隧道的数值计算模型,分析了隧道半径及埋深对其地震响应的影响,研究表明：随着隧道半径的增大,隧道拱顶的竖向位移及弯矩均显著增加,且增加隧道埋深有助于提高其抗震能力。     

地铁地下结构抗震设计方法差异性规律研究

详细介绍动力时程分析方法、反应位移法、整体式反应位移法、强制反应位移法、张建民地震土压力方法、简化地震土压力方法、反应加速度法、地下结构Pushover分析方法等地铁地下结构抗震设计方法。结合以上各种抗震设计方法,计算不同地质条件以及不同埋深条件下北京地下直径线单层框架结构侧墙变形(顶底板位移差值)及结构内力,并对其结果进行比较分析,为探讨各种设计方法计算结果的差异性规律提供一定的依据。结果表明,不同土层条件时,反应加速度法、地下结构Pushover分析方法与动力时程分析方法计算值基本一致;不同埋深条件时,基于日本铁路抗震设计规范动弹簧系数的反应位移法、张建民地震土压力方法与动力时程分析方法计算值更为接近。     

软土浅埋明挖隧道横向地震响应分析

以软土浅埋明挖隧道为研究对象,分别采用反应位移法和动力时程分析法,对隧道结构的抗震性能进行对比分析,探讨了反应位移法用于浅埋矩形隧道结构地震响应的适用性,对工程实践具有一定的参考意义。     

基于反应位移法的地下结构中地基刚度取值的研究

随着近几年人口不断扩张,城市发展越来越重视地下空间的使用,对于地下结构的抗震也越来越受到许多关注,反应位移法作为一种常用的抗震设计方法应用于地下结构抗震设计中。地基刚度取值的确定方法是反应位移法抗震设计中最为重要的因数之一,本文采用经验公式法、日本抗震准则公式法、薄层法及有限元法计算某个地下结构的地基刚度,对比分析这四种方法所得到的地基刚度计算地下结构不同埋深时的结构侧墙变形及结构内力,不同土层时的侧墙变形及结构内力。     

类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

反应位移法在复杂地下结构抗震中的应用

针对我国尚缺少完善的地下结构抗震分析方法和专门的有关复杂地下结构抗震设计规范的现状,在总结目前国内外地下结构抗震计算方法的基础上,采用反应位移法对某复杂地下大空间结构进行抗震设计与分析。同时,分析中还建立了该复杂地下结构的三维精细化有限元模型,采用动力时程分析给出结构的基准地震响应,从而评价反应位移法用于复杂地下结构抗震设计的适用性。分析结果表明,对于不同的计算工况反应位移法的计算结果与动力时程分析均基本一致,说明反应位移法可用于复杂地下结构的抗震设计。研究结论可为今后类似地下工程的抗震设计提供指导。     

双隧道不同开挖顺序对临近群桩的影响研究

双隧道不同开挖顺序对临近群桩承载性能的影响鲜有报道。针对此问题,采用基于地层损失比的位移控制有限单元法(DCM),对软土地基中不同埋深双隧道不同开挖顺序对处于工作荷载下群桩工作性能的影响进行研究,并与相关离心模型试验结果进行比较。得到以下结论:双隧道不同开挖顺序对群桩桩顶附加沉降和群桩承载能力损失影响差别显著,当先开挖上覆隧道时,群桩桩顶的附加沉降量为先开挖下置隧道时的1.25倍,且群桩承载能力的损失率约为后者的1.2倍;两工况中第二个隧道的开挖使得群桩中前桩附加弯矩和后桩附加弯矩均有明显的增大,此与分居群桩两侧但埋深相同的双隧道开挖对群桩弯矩的影响规律迥异;两工况下均产生较大的附加弯矩和附加轴力,且最大附加弯矩和最大附加轴力均位于上覆隧道轴线附近。     

复变函数法分析盾构隧道开挖引起的土体位移和衬砌变形

盾构隧道开挖引起的地层变形历来是人们所关注的重要课题。目前,既有成果较少考虑隧道衬砌与土体相互作用所带来的影响,尤其是较少针对衬砌变形进行分析,就此基于隧道椭圆化变形边界条件,提出了考虑衬砌与土体两种不同介质相互作用下的地层位移和衬砌变形复变函数解答。在该方法中,隧道埋深只影响共形映射后圆环域的环壁厚度,而解析区域依然保持圆形,具有不会对函数解析产生影响的优势;此外,该法经共形映射后保证了边界连续性,避免了既有应力函数法为保证隧道扰动土体无穷远处位移为零,而对解析解进行修正所导致物理意义不明确的缺陷。通过实例分析,得到了隧道开挖引起的地表沉降,并与实测数据进行了对比验证;通过参数分析,获取了扰动地层和隧道衬砌变形的影响规律。结果表明:复变函数解答得到的土体位移曲线与实测值吻合较好,且地表最大沉降值更接近于实测值;隧道的埋深和半径对土体位移和衬砌变形均有较大影响,衬砌厚度对其影响虽然较小,但仍不可忽略;衬砌径向位移曲线呈仰卧的鸭蛋形,关于90°/270°轴对称,拱顶和拱底被压扁,拱顶压缩量明显大于拱底,左、右两侧压缩量小于上、下两侧,表现为收缩之后又被压扁向左、右两侧突出,且随着埋深的增大,衬砌整体上浮;衬砌环向位移曲线呈侧立的苹果形,关于0°/180°轴对称,且在90°和270°处取值为零,随着隧道埋深的增大,环向位移绝对值增大。     

软岩隧道洞口段地震响应的埋深效应的数值分析

汶川地震中软岩隧道洞口段出现衬砌开裂、错台、仰拱隆起等震害。为了分析软岩隧道洞口段震害机理,地震响应与隧道埋深的关系,通过有限元软件分别建立隧道埋深15、20、25m的数值模型,与汶川地震中软岩隧道洞口段的震害进行对比。结果表明:在水平地震波作用下,隧道整体加速度差别不大,拱腰与拱脚加速度放大系数较大,而拱顶与拱肩的加速度放大系数较小;隧道整体水平位移较小,随着埋深增加,隧道的水平位移减小,但是隧道不会因为强制位移而发生破坏;隧道衬砌的最大轴力出现在左拱肩与右拱脚,最大弯矩产生在拱脚,隧道埋深增加,衬砌的最大轴力与最大弯矩均减小。     

地铁地下结构横断面简化抗震设计方法对比

国内外不少学者提出了地下结构横断面抗震设计的相关理论和简化设计方法,中国有关抗震设计规范引入了地震系数法、自由场变形法、反应位移法和等效水平加速度法作为地下结构抗震的设计方法,但目前尚缺少对其有效性和适用性的充分论证。对现有的地下结构简化抗震计算方法进行分析,对比了各种方法的假设条件、优缺点、主要影响参数和适用条件。通过与动力时程分析方法的结果进行对比,表明简化方法对饱和土层有显著震动弱化或液化发生的情形适用性较差,且差异性随地震作用强度的增加而明显增大。     

密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究

砂土地层中盾构掘进时,开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳事故。通过3种不同隧道埋深比（C/D=0.5,1和2）的离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性问题进行了研究。离心试验研究发现,随着开挖面位移的增大,开挖面支护力先减小为极限值而后逐渐增大并最终趋于残余值;开挖面前方土体总体呈现“楔形体+棱柱体”的失稳区;隧道相对浅埋时（如C/D=0.5）,极限状态下失稳区已扩展到地表;隧道相对深埋时（如C/D=1和2）,极限状态下失稳区尚处于地基内部;极限支护力随着隧道埋深比的增大先增加而后基本保持不变。最后,通过现有几种极限支护力理论计算模型对本文试验预测结果的比较分析,评估了上述理论方法的工程适用性。该研究成果对砂土地层中盾构开挖面稳定性控制具有指导意义。     

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。     

浅埋地下结构地震反应分析的惯性力–位移法

现有的地下结构地震反应简化分析方法,如:地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和Pushover分析方法等,均没有考虑上覆回填堆积土体或地震中因剪切破坏失效后的上覆堆积土体在竖向地震作用下产生的惯性力效应。已有研究表明,这种上覆土体竖向惯性力效应对浅埋地下结构支撑构件的抗震性能(抗剪强度和极限变形)有重要影响,是评价浅埋地下结构抗震安全性的关键因素之一,不能忽视。为此,针对浅埋地下结构地震反应分析问题,提出了一种考虑上覆土体竖向惯性力影响的反应位移法,简称惯性力–位移法。给出了惯性力–位移法分析模型的两个关键参数确定方法,包括地基弹簧刚度及上覆土体最大竖向惯性力。工程实例分析结果表明,建议的惯性力–位移法与传统的反应位移法相比,不仅克服了传统的反应位移法不能给出中柱轴力的缺陷外,其它反应量的计算精度与之基本相当。     

带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

可液化地层中矩形隧道的上浮响应分析

在地震荷载作用下易导致饱和砂土液化从而引起地下结构发生上浮,以往多集中于圆形隧道的研究。文章基于有限差分软件FLAC2D,建立饱和砂土中土体和地下矩形隧道结构相互作用分析模型,充分考虑孔隙水与土之间的耦合,分析地下结构在地震过程中超孔隙水压力变化、加速度反应、上浮位移以及结构周围土体的变形规律。并探讨矩形隧道结构埋深、断面面积和断面长宽比对结构上浮位移的影响规律。分别提出评价矩形隧道上浮位移与结构埋深和断面面积的计算公式,利用此公式可以为类似工程中隧道结构的抗震稳定性分析提供指导和借鉴。     

考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答

 基于隧道开挖椭圆化变形模式,针对盾构施工分别考虑气压效应与无气压效应2种工况,提出饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长、短期变形和隧道衬砌内力位移的计算方法。结果表明：椭圆化变形模式下得到的位移曲线与实测值吻合较好,考虑气压效应条件下隧道开挖施工引起的土体变形大于非气压工况,长期影响解大于短期影响解。通过参数调整研究衬砌洞周处位移分布规律时,发现衬砌径向负位移在90°拱顶处达到最大值,在270°拱底处取得最小值,反映了衬砌明显的椭圆化和整体下沉变形趋势,并且随着半径增大以及土体模量减小,椭圆化变形趋势越明显;切向位移值基本以90°/270°隧道中轴线为分界轴,正值取在隧道左半圆,负值取在隧道右半圆,增大半径以及减小土体模量提高了切向位移值的整体水平。通过参数调整研究衬砌内力分布规律时,发现硬土质和大间隙时隧道轴力更容易表现出明显的椭圆化分布趋势,弯矩值随着隧道埋深、隧道半径以及土体重度减小而减小,随着土体侧压力系数k的减小而增大。盾构气压水平的提升,使衬砌轴力受压区范围增幅明显,并使衬砌的正、负弯矩值均增大。分析成果可为正确预估复杂工况下盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

盾构隧道开挖对临近桩体的影响分析

盾构隧道开挖必然会对临近建筑桩基产生附加变形和内力,影响建筑物基础承载力,给上部结构带来一定安全隐患。本文采用两阶段分析法研究盾构隧道开挖对临近桩体的影响,并通过对比分析多种不同的工况,研究地层损失比、隧道埋深、桩-隧间距的不同对开挖引起的临近单桩的影响,结果表明:桩顶沉降与地层损失比,近似呈线性关系,桩身轴力随着地层损失比的增加而增大;增大桩-隧间距、隧道埋深,均可使桩体沉降及轴力明显减小。     

浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的求解方法

把浅埋盾构隧道简化为半无限平面的挖孔问题,采用平面弹性理论的复变函数方法,推导了反应位移法中浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的解析公式。设定不同的埋深和土体泊松比,计算了隧道周边的压缩和剪切地基弹簧刚度,讨论了隧道埋深和土体泊松比对刚度的影响,以及压缩和剪切地基弹簧刚度的关系。结果表明：浅埋隧道与深埋隧道的地基弹簧刚度存在差异;隧道埋深和土体泊松比对地基弹簧刚度的大小和分布规律影响很大;浅埋隧道的剪切与压缩地基弹簧刚度之比沿隧道周边变化。