层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析

基于非线性接触理论,考虑盾构隧道结构的非连续性,模拟管片接头结构和管片衬砌与围岩及道床之间的相互作用,建立了道床-管片-围岩的三维非连续接触模型,对盾构隧道管片接头在围岩静压、列车动载作用下的受力与变形进行了深入分析。研究结果表明,围岩静压下拱顶和隧底处的纵向接头部分向内张开,两侧拱腰处的接头部分向外张开,拱顶处的封顶块与邻接块错台较大,拱腰接头受压明显,拱顶接头受压最小,各环管片拱顶处的螺栓轴力最大,隧底处的其次,拱腰处的接头螺栓轴力最小,旋转了一定拼装角度后位于拱肩上部的接头螺栓,其剪力最大;列车动载作用下管片接头的张开错台、混凝土应力以及接头螺栓的内力均在动载施加初期迅速增加,然后明显减小,而后产生波动,其中浅埋地铁隧道拱顶接头的动力响应较隧底接头明显,螺栓剪力在列车动载作用下较螺栓轴力增加的多。     

上软下硬复合地层中盾构隧道管片受力变形性态研究

以珠机市区至珠海机场地铁盾构工程为背景,采用MIDAS GTS NX建立了精细的三维管片模型,模拟上软下硬复合地层中盾构隧道管片的受力特征,并对衬砌环在岩层中的地层复合比进行参数分析。研究结果表明:上软下硬复合地层中,管片环拱底处几乎没有竖向位移,管片环拱顶及拱腰向内侧收敛,在设计时轴力取梁-弹簧法得到的最大轴力进行设计即可,弯矩的取值与地层复合比有关,在设计时应将地层复合比m=0.86当作关键工况予以考虑。     

软土地层地铁盾构隧道施工引起衬砌结构变形规律研究

以无锡地铁3号线一期工程04标盛岸站至吴桥站区间盾构隧道为背景,基于海瑞克S-729土压平衡式盾构机掘进数据建立模型模拟盾构隧道开挖、同步注浆、管片拼装的流程。分析在软土地层中隧道衬砌结构的应力分布规律及拱顶、拱底与两侧拱腰在x, y, z方向的位移变化趋势,绘制在开挖过程中管片的变形分布曲线,结果表明盾构在软土地区掘进时,管片在拱顶、拱底与两侧拱腰处出现较大应力,同时拱顶与拱底处均在隧道竖直方向出现较大位移,而拱腰在隧道纵向位移达到最大值,须及时监控管片变形。     

基坑开挖旁侧盾构隧道结构横向受力与变形研究

针对基坑开挖旁侧盾构隧道结构横向受力和变形规律，提出了一种考虑围护结构变形影响的盾构隧道横向受力理论计算方法，并通过某实际工程三维有限元计算结果和干砂地层隧道旁侧基坑开挖离心模型试验结果，验证了隧道径向附加荷载理论计算方法的可靠性。结合该工程获取的围护桩水平位移、地表沉降、隧道变形和应变现场实测数据，探究了隧道横向受力-变形-内力之间的关联机制。结果表明：(1)隧道初始径向荷载呈“葫芦形”对称分布，侧方开挖引起隧道近基坑侧和拱顶外荷载减小，而远基坑侧和拱底外荷载增大，这与开挖引起的自由场地层位移和隧道位移相对大小有关，水平和竖向不均衡荷载由隧道纵向差异变形引起的环间剪切力平衡。(2)隧道椭圆形变形、朝基底方向的顺时针旋转角度和正负弯矩值随开挖不断增大。(3)隧道环向弯矩分布与螺栓相对位置关系密切相关，研究断面处近基坑侧拱腰附近存在螺栓，其将承担更多的环向拉应力；远基坑侧拱腰附近为混凝土管片，环向拉应力主要由管片承担，从而使得研究断面处隧道管片最大环向弯矩发生在远基坑侧拱腰位置。     

隧道穿越软弱破碎带超前支护加固效果分析

为研究管棚支护在软弱围岩中对隧道的影响，文章依托亚曲滩隧道穿越软弱围岩的浅埋暗挖工程进行模拟分析。研究结果表明：拱顶管棚挠度沿隧道纵向逐渐减小，洞口位置处挠度较大，末端挠度最小。拱腰管棚的挠度值相对较小，约为拱顶管棚挠度的1/2，且变形由两侧拱腰向拱顶递增。拱顶管棚轴力沿隧道纵向先受压后受拉，拱腰管棚轴力也是先受压后受拉，但拱顶轴力约为拱腰轴力的两倍，并且轴力由拱顶向拱腰两边递减。随着管棚直径的增大，隧道拱顶、拱底和拱腰逐渐减小。管棚直径对拱顶沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰。随着直径的增大，隧道拱顶、拱底受直径的影响逐渐减弱，变形速率逐渐下降。间距的增大导致隧道拱顶、拱底的变形增加，变形速率逐渐上升。管棚加固区厚度的增大使得隧道拱顶、拱底和拱腰的变形逐渐减小。管棚加固区厚度增大对拱顶沉降的控制效果较好，其次是拱底，最后是拱腰。在管棚加固时，应特别关注隧道拱顶的情况。该研究结果可为类似工程提供一定的借鉴作用，对隧道结构的安全有积极作用。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

新型凹凸排水板对隧道二次衬砌受力影响研究

为探究凹凸排水板应用于隧道衬砌外环排水系统中的可行性,建立Midas三维有限元隧道模型,分析凹凸排水板对隧道衬砌受力变形影响特性,对比常规防排水结构与无管湿铺防排水结构下隧道衬砌的应力位移变化趋势。结果表明:相同围岩条件下,无管湿铺防排水结构隧道衬砌会发生更大变形;与常规防排水结构相比,无管湿铺防排水结构隧道衬砌拱顶受最大压应力增大至1.7倍;常规防排水结构下,隧道衬砌仅呈受压状态,无管湿铺防排水结构形式下,隧道衬砌在拱腰和拱脚处受较大拉应力。     

铁路隧道管片衬砌承受高水压分界值研究

铁路隧道一般位于山岭或水下的复杂地质环境中,面临着地下水的威胁,国内工程界对于管片衬砌所能承受的高水压一直没有明确的分界值。针对管片衬砌结构型式的特点,从接缝防水及结构受压承载能力两方面对高水压分界值展开研究。提出了管片衬砌结构高水压限界的定义及判定方法,求解了不同围岩级别、不同管片设计参数（混凝土强度等级、厚度）条件下的管片衬砌高水压承载能力。最后通过大比例尺模型试验对衬砌受水压作用的力学特征进行分析。研究结果表明：管片接缝在允许的张开量和错位量的前提下,同时考虑设计材料的应力松弛与老化,密封垫设计承受的最大水压能力约在 0.8 ～ 1.0 MPa 之间;管片环不同位置处的受压承载能力安全系数近似呈正弦曲线分布,拱顶及拱底位置为衬砌结构受力控制点,提高混凝土强度等级或加大管片厚度可以显著增加管片衬砌的受压承载能力;高水压条件下结构呈受压破坏,低水压条件下呈受拉破坏,一定范围内提升管片的外水压力,衬砌结构的轴力值增加明显,弯矩值变化幅度不大,对于结构受力是有利的。     

外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性模型试验

矿山法修建的山岭隧道有的情况下对地下水采取排导式处理方案。当衬砌背后来水量超出排水系统能力时,将引起衬砌背后外水压增高,甚至导致隧道衬砌结构破坏。自行研制了隧道衬砌外水压力模拟加载试验装置,该装置通过形成负压环境,利用隧道结构模型内外气压差来实现外水压的模拟。基于隧道-地层复合模拟试验平台,开展了外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性的室内加载模型试验。结果表明：衬砌结构在水土压力共同作用下,轴力呈锥形分布,拱脚轴力大于仰拱和拱部;弯矩呈蝴蝶型分布,拱脚处承受外弯矩,仰拱及拱顶承受内弯矩;轴力、弯矩随水压增加大致呈线性增大,偏心距逐渐减小,拱脚位置具有最大的偏心距,为外水压下隧道衬砌结构受力的最不利位置;依托隧道工程三车道及加宽带衬砌结构产生渗透性裂缝的外水压力分别为330kPa和420kPa,开裂裂缝主要出现在左右拱脚区域的外侧及仰拱内侧,为受拉开裂破坏,且随着外水压的增加,裂缝的渗透性急剧增大。此研究可为大断面公路隧道排水型衬砌在外水压力作用下结构安全评估提供参考。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

火灾下盾构隧道衬砌拼接接头力学行为试验研究

盾构隧道管片接头是隧道结构的薄弱部位,针对盾构隧道管片接头的抗火性能研究显得尤为重要,该文以存在安装误差的缩尺衬砌结构接头试件进行火灾试验,以管片的表观特征、温度场分布及变形响应等特征,研究火灾高温作用下盾构隧道衬砌结构接头的力学性能.研究结果表明:无初始缺陷的衬砌管片爆裂面积大且深度浅,具有初始缺陷的衬砌管片剥落深度...     

公路隧道喷射混凝土套拱加固结构力学特性

为研究喷射混凝土套拱加固前后二次衬砌与混凝土套拱的受力状况,依托陕西汉中至留坝段八里关隧道,运用有限元软件建立隧道混凝土结构套拱加固分析模型,并通过现场监测获取二次衬砌与套拱间的接触压力、套拱格栅拱架钢筋应力、套拱混凝土应力,将数值模拟结果与现场测试结果相结合,得出套拱结构的一般受力变化规律。结果表明:套拱加固前衬砌结构的最不利荷载位置位于施工缝附近的拱顶、拱肩与拱脚处; 由于衬砌局部变形与温度应力的影响,套拱混凝土应力变化呈现反复“上升-下降-上升”最后趋于稳定的特点; 套拱的作用是控制二次衬砌的进一步变形,套拱施作后所承受荷载较小,套拱反作用力远小于围岩作用于衬砌的应力,在应力计算中不应将衬砌与套拱作为整体计算; 套拱结构数值模拟所得的结果与现场测试套拱结构内力(轴力、弯矩)的大小及分布相似度高,但在衬砌裂损严重部位,数值模拟所得结果误差较大,应以现场测试结果为准。     

大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明：①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁-弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

封顶块位置对地铁隧道管环力学性能影响研究

在盾构隧道施工和运营期,封顶块位置对盾构隧道的整体结构受力及变形有显著影响,因此对其位置的合理选择进行研究非常必要.采用ABAQUS有限元软件建立壳-弹簧模型,对封顶块不同软土不同埋深及在不同位置下盾构隧道通用管片结构力学行为进行研究分析.结果显示:同种软土中,通用管片整体结构弯矩随着埋深增加,弯矩增大;同种埋深下,随...     

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。     

考虑层间效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌#br# 受力特征模型试验研究

为探究考虑层间接触效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌内力分布规律,自行设计考虑层间效应的单层衬砌模型并研制竖向油压5MPa和侧向压力1.5MPa作为逐级施加的卧式加载试验台架,开展不同荷载作用下的钢纤维混凝土隧道单层衬砌受力特征模型试验。研究结果表明：不考虑层间接触特征的单层衬砌与考虑接触特征的单层衬砌在拱腰和墙角处的安全系数均为最低,最容易出现弯矩和轴力突变;考虑层间接触特征的单层衬砌最大弯矩与最大轴力均出现在拱脚处,层间接触面存在明显黏结力,结构的轴力增加和弯矩减小,内力变得均衡,结构的整体安全性高于不考虑层间接触面,相对不考虑层间效应,受力最不利的左右拱脚处的安全系数分别增加143.7%、149.4%;当竖向油压达到3MPa、侧向油压值达到0.9MPa时,仰拱周围层间接触面压力增长速度显著加快,仰拱处混凝土由线弹性转变为塑性,竖向油压达到4MPa,侧向油压值达到1.2MPa时,仰拱、拱角与拱顶层间接触面应力值有减小或反向增长的趋势,仰拱、墙角等界面发生破坏;钢纤维在单层衬砌裂缝扩展在30%~70%之间阻裂效果最好。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。