沉管隧道地震响应分析若干问题的研究

以高速铁路南京长江隧道为例，分析了利用弹簧．质量模型进行沉管隧道地震响应分析时，地基阻尼比、地基与隧道刚度之比以及管段不同联结方式等因素对沉管隧道地震响应的影响，得出了一些具有实际意义的结论。     

沉埋隧道管段的连接形成

介绍了水下沉管隧道的施工工艺、对沉管隧道的连接进行了力学分析．从干舷、抗浮安全系数、沉管的结构高度、预制运输管段等方面，探讨了管段浮运问题，论述了管段的连接及防水处理，以推广该技术。     

大型沉管隧道管段接头防水试验研究

针对沉管隧道管段接头首道防线，也是最重要的防线—GINA止水带的防水性能，进行了一系列试验，包括了应力-压缩变形试验、水密性试验等，并对试验结果进行了分析、总结。期望通过此项研究，对今后类似的大型沉管隧道管段接头的试验、设计、施工有所帮助。     

盾构隧道的纵向抗震分析研究

将盾构隧道简化为一维的杆系，其周围的土体看作是粘弹性材料，将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题，利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法，对质构隧道进行纵向抗震分析。同时，根据盾构隧道接头的特点，用接头单元来模拟管片的纵向接头，并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究。     

常洪沉管隧道接头施工技术

管段接头是沉管隧道的重要环节.首先,要满足水密性要求,即在施工阶段和日后运营阶段不渗漏;其次,应具有抵抗各种作用的能力,这些作用包括各种荷载和强迫变形,诸如地震、温度和地基变形等;最后,要求受力明确、方便施工和保证施工质量.根据常洪沉管隧道管段接头的构造形式和功能要求,介绍了接头2道止水带的选型依据和安装工艺,描述了接头其他构造如剪切键等的制作方法,特别叙述了接头中钢拉索的构造形式、安装工艺和防腐耐火措施.同时,介绍了常洪沉管隧道最终接头的施工方法.     

灌砂基础沉管隧道管段三维静力分析

沉管隧道多用于解决城市穿过江河的通道工程,是建在水底之下供人员和车辆通行的水下建筑物。以广州市某沉管隧道工程为实例,基于ANSYS有限元软件对灌砂基础的沉管隧道管段进行三维静力分析,根据实际数据进行三维建模、网格划分、施加荷载和边界条件约束,求解获得管段的应力、应变和管段总变形图。结果表明：沉管隧道底板灌砂孔位置出现应力集中现象,最大变形出现在管节接头连接键的位置,基于有限元的分析结果可以为管段结构强度和刚度设计提供一定的参考。     

海底沉管隧道长期沉降及受力性状研究

在软土地基上,随着沉管隧道的长期使用,沉管隧道结构沿纵向容易发生不均匀沉降,从而在隧道部分及接头处产生较大的应力或位移．以致损坏管段和接头。对沉管隧道结构的受力、变形与沉降的国内外研究进展进行了综述,指出了目前研究的不足之处,提出了该领域中需要重点研究的课题。     

沉管隧道实时健康监测系统

以我国第一座修建在软土地基上的沉管隧道--宁波甬江沉管隧道为背景,针对沉管隧道的管段不均匀沉降、接头GINA止水带张开与变位、管段混凝土裂缝、混凝土应力应变以及钢筋腐蚀等内容,在国内首次采用由静力水准仪、直线位移计、裂缝计、应变计以及钢筋腐蚀传感器组成的沉管隧道健康监测系统对沉管隧道进行了实时监测.通过配套的监测软件系统,实现了数据自动采集和数据管理,进行实时动态的结构分析与安全评定,对隧道的结构安全状况预警报警,为隧道的安全正常运营管理提供决策支持.     

盾构隧道的纵向抗震分析研究

将盾构隧道简化为一维的杆系 ,其周围的土体看作是粘弹性材料 ,将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题 ,利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法 ,对盾构隧道进行纵向抗震分析。同时 ,根据盾构隧道接头的特点 ,用接头单元来模拟管片的纵向接头 ,并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究     

大型沉管端钢壳安装测量控制

天津市中央大道海河隧道跨河沉管段为直线段连接曲线段的沉管隧道,作为沉管连接段的接头部位,端钢壳的安装精度直接影响了沉管隧道的沉放对接精度及隧道线路的走向.端钢壳安装分为沉管预制阶段安装和暗埋段安装两部分,其中沉管预制阶段的端钢壳垂直倾角最大88.9809°,要求精度极高且安装精度极大.文章介绍了暗埋段端钢壳安装及半径1500 m预制沉管段端钢壳安装测量精度控制方法.     

减震层减震原理及跨断层隧道减震技术振动台试验研究

通过波函数展开法给出平面SV波入射下深埋圆形隧道"围岩—减震层—初期支护—二次衬砌"减震结构的动力响应解析近似解,分析了减震层厚度、弹性模量对衬砌结构动应力集中系数的影响,并开展了跨断层隧道抗减震研究大型振动台模型试验,通过分析跨断层及其设置减震层后隧道衬砌动力响应特性和破坏形态,得到以下有益结论:减震层与围岩弹性模量比越低,减震层厚度越大,衬砌动应力集中系数越小;减震层与围岩弹性模量的最优减震比在1/10~1/20,最优减震层厚度不宜大于0.2 m;跨断层破碎带隧道设置减震层可以明显降低跨断层衬砌结构加速度峰值和衬砌动应变幅值;断层处隧道衬砌裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩,并分布有剪切错动引起的环向裂缝,设置减震层后,断层处隧道衬砌裂缝明显减少,衬砌受力得到明显改善;断层处地表出现了平行断层方向为主的的贯通裂缝和大量斜裂缝,说明断层处以剪切破坏为主,设置减震层后,地表裂缝明显减少。     

输水隧道动力模型试验中相似比尺规律的探讨

结构动力模型试验与动力模型破坏试验中,保持模型与原型相似的基本要求与处理技巧根据试验目的不同,而有所差别。这里就地下输水隧道考虑流-固耦合的动力模型试验进行理论研究和数值模拟,研究中根据工程的实际及模型试验选料的经济实用性,提出当原型与模型弹性模量不相等时的动力相似比尺是以围岩的弹性模量比来计算的规律。为今后复杂的地下水工结构动力模型的结构动力特性和破坏试验的相似问题拓宽思路,提供有用的参考价值。     

偶然性内爆炸作用下盾构隧道的破坏特性分析

 针对拼装组合式盾构隧道的防爆炸灾害设计需要,建立考虑管片–管片、管片–螺栓及管片与周围土体界面接触效应的盾构隧道爆炸动力响应三维有限元分析模型,以典型的地铁区间盾构隧道为例,计算分析内爆炸对盾构隧道结构的破坏机制,揭示管片和连接螺栓的破坏特征,比较研究盾构隧道与整体现浇隧道的抗内爆炸特性。实例分析表明：盾构隧道结构的抗爆性能劣于整体现浇的隧道结构,管片接头是盾构隧道抗内爆炸的最薄弱部位,提高连接螺栓的强度和延性可改善盾构隧道的抗爆特性。     

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。     

大跨径斜拉桥动力特性分析

首先针对大跨径斜拉桥的结构特点,从主梁、主塔、斜拉索和边界条件等方面阐述了斜拉桥有限元动力分析的建模方法;然后以苏通大桥为例,用ANSYS有限元分析软件,对其成桥状态下的结构自振特性进行了分析.计算结果表明,该桥具有较好的抗震性能,但需要通过节段模型风洞试验检验其颤振稳定性.     

Influence of segmental joints on tunnel lining

A simplified method for evaluating the moment carrying of a segmental tunnel liner was proposed using a result from a FEM analysis in which parameters were obtained by calibration against a true scale model test. Influence of segmental joint, number of segment and soil subgrade modulus on the bending moment carrying characteristics of a segmental tunnel was examined. Joint was represented by a series of springs called angular joint stiffness. Based on a set of model tests, practical range of angular joint stiffness was in range of 1000–3000 kN m/rad. It was found that jointed lining carried smaller value of maximum bending moment than the non-jointed one. The reduction in bending moment, represented by the parameter called moment reduction factor, can be simply expressed as a function of angular joint stiffness and number segment.     

复杂接缝面管片接头的力学性能数值分析

根据武汉长江隧道工程管片接头所具有的复杂接缝结构特点,采用三维非线性有限元方法,对管片混凝土和接头承压衬垫均采用非线性材料性质,对螺栓采用三维实体结构模拟并考虑了螺栓预紧力的作用,对榫头采用三维实体模拟并考虑了接触关系,完成了对管片接头力学特征的分析研究。分析表明,接头弯曲刚度随接头弯矩增大而明显减小,但当弯矩增至一定程度后,接头切线弯曲刚度反有轻微增大;随接头弯矩的增长,端面混凝土最大压应力也相应增大,但当接头弯矩增到一定程度后,接头端面混凝土最大压应力数值趋于稳定不变;随接头正弯矩增大,弯螺栓拉应力将有明显提高,而随接头负弯矩增大,弯螺栓拉应力将会有所衰减。研究结论可供类似盾构隧道工程参考。     

基于率效应的岩石材料次加载面动态模型在岩体工程中的初步应用

为较准确反映岩体工程在地震荷载下的响应,结合Drucker-Prager屈服准则和次加载面理论,初步构建基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型,在此基础上,除计算弹性模量的率效应之外,还在Drucker-Prager准则上考虑强度的率效应,提出岩石材料的动态模型,并把该模型运用到滇中引水香炉山隧洞中。计算结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,由于没有考虑率效应,表现出应力–应变曲线的斜率没有试验曲线大,且累计应变也比试验曲线大;在岩石循环加卸载过程中,动态模型得出的模量上比次加载面应力路径模型模拟的要大,同时变形量也较次加载面应力路径模型要小,因此该模型能较好地反映岩石的动态力学性质和变形性质;相比于Drucker-Prager准则下,采用动态模型得出隧洞的左侧监测点和右侧监测点的瞬时相对变形峰值增大了0.67 cm,同样底部和顶部以及左右两侧的永久相对变形也分别增大了0.19和0.77 cm,说明动态模型可以较好地反映围岩残余大变形;岩石动态模型相对于Drucker-Prager准则和线弹性本构,更具有滤掉高频的功能。说明该模型能很好地运用到岩石动力学中,同时也为准确分析岩体工程在地震作用下的响应奠定了一个很好的基础。     

营运期地铁盾构隧道动力响应分析

采用三维动力有限差分法,考虑接缝、管片分块和软土地层等因素,对广州地铁四号线埋置于深厚软土地层之中的盾构隧道在地铁营运期间动力响应进行深入分析,并对考虑管片接缝与否2种计算模式进行比较分析。研究结果表明,地铁列车动载作用下,隧道动力响应自底部向顶部逐渐衰减,强烈区主要集中在下半部。管片环动力响应与接缝分布有关,临近接缝部位的动力响应值比远离接缝部位的动力响应值要大些。隧道基土动力响应强烈区主要分布于贴近管片环外围的一定范围内,越接近管片环、愈接近隧道底部,基土动力响应愈为强烈。地层动力响应由隧道壁往外快速衰减,受振区主要集中在距隧道中心约2倍隧道直径范围的近域地层内。当针对管片衬砌结构本身进行动力响应分析时,若把管片衬砌当整体考虑则会引起较大误差,故应考虑管片接缝;当针对地层进行动力响应分析时可不考虑接缝而把管片衬砌当成整体考虑,由此带来的误差在一般情况下可忽略不计。     

隧道设置减震层减震机制研究

 通过Fourier-Bessel函数展开法,推导平面SV波垂直入射下半无限弹性介质中圆形双层衬砌结构、围岩–减震层–衬砌洞室的动应力集中系数级数解,分析入射波频率、减震层弹性模量和厚度对动应力集中系数的影响,并结合数值模拟分析结果对比,深入研究减震层减震机制。研究结果表明：入射频率对衬砌动应力集中系数有显著影响,减震层对低频波具有较好的减震效果;由于减震层剪切模量低,围岩和隧道可以剪切变形,从而减小了作用在衬砌外部的法向作用力,降低了衬砌内侧最大动应力集中系数,但围岩和衬砌外侧切向应力增大;随着减震层与围岩弹性模量之比减小,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层与围岩的弹性模量比宜低于1/10～1/20,和减震层弹性模量对应,存在一个最优的减震层厚度值。以一公路隧道为背景,开展隧道减震层结构大型振动台试验研究,结果表明：隧道衬砌设置减震层后,可以显著降低衬砌内力,减小衬砌裂缝的数量。