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。     

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。     

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。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

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。     

地震波斜入射地下隧道地震响应：2.5维FE-BE耦合模拟

针对地震波斜入射导致的非一致地震激励结构地震响应问题,提出了地下隧道三维地震响应分析的一个2.5维有限元–边界元（FE-BE）耦合分析方法,该耦合方法具有分析效率高和计算精度高的优势。利用有限元模拟隧道结构,并引入弹簧单元考虑衬砌管片接头的影响;半无限土域利用基于场地三维动力刚度矩阵和移动斜线荷载格林函数的边界元方法模拟。通过与文献结果比较验证了耦合方法的正确性。利用该2.5维FE-BE方法,以某盾构隧道为例,研究了斜入射地震波作用下隧道结构的三维地震响应,着重分析了管片接头对隧道衬砌地震变形和内力的影响,并讨论了通过对隧道衬砌整体刚度进行折减（等效均质圆环模型）来考虑管片接头影响的方法的适用性。研究表明,管片接头对隧道地震响应有重要影响,随接头刚度减小隧道衬砌变形呈增大趋势,但衬砌内力显著减小;而且,对于管片接头刚度较大的情况,等效均质圆环模型可以在一定程度上反映管片接头对隧道结构地震响应的影响,但可能导致隧道纵向弯矩的低估。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变形的影响

盾构隧道管片接头的性能对衬砌环的受力和变形有很大影响,尤其在软土地区,接头变形过大会造成渗水和漏泥等危害。以盾构隧道复合管片斜螺栓接头为研究对象,基于实际隧道工程,利用ABAQUS建立了复合管片及斜螺栓的三维实体模型,对管片环向斜螺栓接头在荷载作用下的受力及变形规律进行研究,分析不同等级普通螺栓和高强螺栓对接头错台量和张开量以及斜螺栓应力应变的影响。分析结果表明:斜螺栓接头承受正弯矩的能力优于负弯矩;采用高强螺栓能够有效的减小接头张开量,增大接头刚度,从而减小渗漏现象;弯矩较大时,螺栓等级越高,高强螺栓对错台量的控制越好;同样荷载条件下,高强螺栓应力大于普通螺栓,但应变较小,等级越高应变越小。     

考虑接缝张开与变形影响的管片隧道抗震计算解析方法

基于管片间接触应力及张开变形的非线性及非连续性特性,提出了一种考虑管片间接缝影响的盾构隧道抗震计算解析方法。根据管片隧道在地震地层剪切变形作用下发生斜45°方向的最不利椭圆化变形,基于管片刚体及接头动刚度假设推导此时接头的动力位移响应(转角、位移),进一步通过管片之间(接缝)的接触条件假设,得到了衬砌结构的内力及管片接缝的接触面应力分布以及螺栓内力。与不考虑接头的Sedarat、Hashash方法进行对比后发现,管片衬砌结构的弯矩分布形态发生了较大的变化,且在管片接缝处可能出现局部混凝土压碎,对抗震条件下的接缝防水安全及结构整体稳定性极为不利,因此,考虑管片接缝局部应力和变形的影响,对盾构隧道的抗震设计计算是十分必要的。     

盾构隧道衬砌近接桥桩的施工力学响应及影响分析

衬砌结构作为盾构隧道主要承重结构,其受力特性直接决定隧道能否安全使用,运用有限元分析软件模拟不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工过程,分析衬砌结构近接桥桩的施工力学响应,结果表明:注浆压力在0.1MPa~0.5MPa范围内,随着注浆压力的增加衬砌管片的最大隆起值和最大沉降值均减小,水平最大正位移值与负位移值均增大,且管片的弯矩与剪力逐渐增大,轴力逐渐减小,其中水平位移与轴力的变化率较大;近接群桩距离的改变,衬砌管片的内力与变形均随着距离的增大而减小,逐渐接近于无桩时的状况,其中管片的沉降最大值与轴力的减少幅度较大。研究结果为类似工程提供参考。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

盾构隧道纵缝接头抗弯计算模型研究

针对不设传力衬垫的盾构隧道纵缝接头,基于已有的管片接头抗弯性能试验的结果,首次提出与接头应力相关的刚度折减系数的概念,并给出其取值经验的公式。在此基础上推导纵缝接头转角弯矩关系的显式解析公式,可直接应用于盾构隧道的结构受力分析。所推导的解析公式可以较好地反映接头轴力对其抗弯力学行为的影响,描述管片接头抗弯刚度随转角增大而减小直至破坏的整个过程。与管片接头足尺试验结果的对比表明,该解析解与试验结果吻合得较好,有重要的工程应用价值。     

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。     

封顶块位置对盾构隧道管片结构力学特征与破坏形态的影响分析

对于盾构隧道管片衬砌结构而言,封顶块位置对其在相同荷载条件的力学响应及破坏失稳特征具有显著的影响,通过将渐进性破坏理论引入到盾构 隧道管片衬砌结构病害发生及扩展过程分析中,采用相似模型试验研究方法,从盾构隧道管片的声发射数据、结构位移及内力、宏细观裂纹发生及扩展等方 面,比较分析封顶块位置对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明：①封顶 块的位置不同,使得因环向接头的位置不同,在外荷载一样的情况下,管片与地层的协调变形不同,导致整环管片的整体刚度不同,封顶块位于拱腰时其整 体刚度相对其他两组较大;②封顶块不同位置对结构失稳时的最大局部变形位置有较大影响,临界失稳时的最大位移与隧道半径之比相差不大,均在2%~3% 之间;③封顶块不同位置对管片结构开始产生宏观裂缝的荷载级别及产生位置也有较大影响,封顶块位于拱腰时,开始产生宏观裂缝的荷载级别相对其他两 组大,主裂缝和压溃区发生的位置较多。     

盾构管片接头简化数值模拟方法

由管片组装的盾构隧道衬砌环刚度分布不均,其薄弱环节为管片接头处。管片接头刚度的合理确定对于盾构隧道施工全过程模拟的合理性、地表沉降槽的确定以及土体损失的准确估算至关重要。根据管片接头受力特点及其构造,考虑对管片接头及其附近区域进行刚度修正,而管片其余区域保持原刚度不变,提出管片接头简化数值模拟方法——局部刚度修正法。基于圣维南原理和变刚度梁理论,推导了确定接头刚度的公式,并给出了相关参数的确定方法。结合室内盾构管片接头足尺试验成果,对不同荷载作用下管片接头的变形情况进行了数值模拟及对比分析。研究成果为盾构三维施工全过程的精细化数值模拟分析奠定了基础。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型及其工程应用

提出一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型,该模型可以反映接头抗弯刚度的非线性以及管片与二次衬砌接触面压剪弹簧失效机理。采用该模型对狮子洋隧道衬砌的力学行为进行了分析,结果表明:(1)管片结构最大正负弯矩随接头抗弯刚度增大而增大,而二次衬砌内力及管片结构最大轴力受接头抗弯刚度影响较小;(2)若不考虑管片与二次衬砌接触面的接触弹簧失效,将会使得计算结果量值偏大;(3)当盾构隧道所处岩层均匀时(t/D=0或1,t为结构范围内软弱层的厚度,D为隧道直径),全环各个位置处接头刚度值差别不大,当岩层不均匀时,接头抗弯刚度的取值差异分布显著;(4)径向弹簧、切向弹簧受力的最大值与平均值随着t/D的增加呈增大的趋势。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

内水压条件下盾构隧道复合衬砌破坏机理原型试验研究

盾构输水隧道工程常采用复合衬砌结构型式，钢筋混凝土内衬具有施工便捷等优势成为常用内衬之一，但在内水压作用下容易开裂，钢筋混凝土内衬开裂后复合衬砌承载能力成为工程中设计的关键问题。本文对盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构展开原型试验，研究内水压作用下复合衬砌的全过程变形破坏规律，揭示复合衬砌内压承载机理。试验结果表明：(1)内外压差达到0.22MPa时，内衬开始开裂，内衬开裂后盾构管片承担更多内水压力，随着内水压增长，接头手孔处混凝土出现损伤，最终内外压差达到1.78MPa时，管片接头混凝土断裂，复合衬砌丧失承载能力；(2)管片接头是复合衬砌薄弱环节，裂缝首先产生于内衬临近盾构管片接头处，然后沿环向均匀增加，内衬产生裂缝后，混凝土通过与钢筋的黏结作用共同承担内水压力，因此随内水压增加内衬发生多次开裂；(3)内衬开裂、接缝损伤后复合衬砌抗拉刚度分别下降为其弹性状态时的23.8%,12.3%,内衬开裂对复合衬砌承载能力影响最为显著。     

盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。