盾构隧道纵向变形性态研究分析

随着城市地铁和市政工程建设的发展，由于软土隧道发生过量的不均匀纵向变形对隧道内力、变形及正常运营的影响日渐突出。本文以盾构法隧道为基础，结合工程实例，对软土盾构隧道纵向变形和结构性态进行讨论，介绍了盾构隧道纵向变形的影响因素，重点分析了土性不均匀与荷载变化两大主要因素对隧道纵向变形的影响，最后给出了具有一定指导意义的结论。     

盾构穿越引起的既有盾构隧道纵向变形研究

研究既有隧道在新建隧道穿越时产生的响应,提出一种能准确预测既有隧道位移的计算方法。采用目前国内较为先进的转动错台模型,在考虑施工因素的附加荷载作用下,运用最小势能原理对既有盾构隧道在新建隧道穿越时的结构变形进行了分析预测。并分别选取了3个工程实例对新建隧道在不同穿越工况下本文方法的预测准确性进行了验证。研究结果表明:本文方法计算值与实测值较为吻合,能计算出既有隧道的竖向位移、环间的错台量、转角和剪切力,进而判断既有隧道结构的安全状态;既有隧道发生沉降时管片以错台变形为主,转动变形占比较小(约30%)。     

盾构隧道纵向变形性态研究分析

随着城市地铁和市政工程建设的发展 ,由于软土隧道发生过量的不均匀纵向变形对隧道内力、变形及正常运营的影响日渐突出。本文以盾构法隧道为基础 ,结合工程实例 ,对软土盾构隧道纵向变形和结构性态进行讨论 ,介绍了盾构隧道纵向变形的影响因素 ,重点分析了土性不均匀与荷载变化两大主要因素对隧道纵向变形的影响 ,最后给出了具有一定指导意义的结论。     

考虑转动错台偏载作用的盾构隧道纵向变形解析法

基于盾构隧道转动错台模型,提出了一个能够评价偏载作用下隧道纵向变形的位移假设函数,同时结合最小势能原理推导出位移解析解,进而可以计算环间错台和转动变形.依据工程算例,将文中方法和数值模拟的结果进行对比,以此验证了该方法的合理性.研究结果表明偏载工况下,沉降和错台曲线具有明显的非对称性;当隧道轴线由与堆载长边方向平行逐渐...     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力,根据大量工程实测资料,总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式．然后基于弹性地基理论,分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式,探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律,这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力,根据大量工程实测资料,总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式,然后基于弹性地基理论,分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式,探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律,这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

既有盾构隧道上方非对称卸载对隧道纵向变形影响的分析研究

以某市轨道交通建设工程为基础,采用计算机数值模拟分析的手段,分析了隧道上方非对称卸载后隧道结构纵向变形规律,并进一步研究了不同开挖深度对隧道纵向变形的影响,提出了合理的施工方法.     

上海软土地区地铁盾构隧道衬砌环间变形

工程实践发现,盾构隧道的纵向变形特征主要表现为环缝张角或环间错台。通过对上海软土地区通缝拼装地铁盾构隧道同时出现张角和错台情况下衬砌环间变形机理的研究,给出了变形各阶段拱底管片环缝张开量的计算方法;同时基于地铁隧道衬砌结构的防水要求,建立了四种不同工况下环间密封垫变形的计算公式,并以上海轨道交通八号线某盾构隧道为分析对象,得出了相应密封垫张开量和错台量的控制指标。通过分析计算结果发现,相对仅发生错台现象,环间转动和错台的同时发展,将加剧衬砌结构的破坏程度,使密封垫更快失去防水作用。     

深切槽段冲刷对越江盾构隧道纵向变形影响计算

河床深切槽段的冲刷淤积使得越江隧道纵向荷载十分复杂,影响隧道纵向变形。基于南京地铁越江隧道工程,研究不同冲刷深度、深泓位置引起的盾构隧道纵向变形行为。采用有限元建立计算模型,得到不同工况下隧道纵向的变形情况,根据变形曲线计算隧道的曲率半径和隧道环缝的张开量。结果表明:1)变形后隧道的曲率半径及环缝最大张开量与冲刷深度及冲刷范围相关,冲刷的范围越大,隧道的回弹量也越大,相应的曲率半径也越小,环缝张开量越大;冲刷深度越大,曲率半径越小,环缝张开量越大。2)环缝最大张开量位置在深泓位置附近。3)在隧道变坡点附近,环缝张开量明显大于前后直线段的张开量,设计时应尽量避免变坡点位置在深泓摆幅范围内。     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析

为探明盾构隧道纵向变形性能及抗弯刚度有效率的取值,基于模型试验,根据相似理论对通缝、错缝及匀质圆筒模型进行纵向模型试验研究。分别对3种纵向试验模型进行了加载试验,采用数据采集系统测试加载过程中的管片模型的纵向变形,得到了各级荷载下通缝、错缝及匀质圆筒模型纵向变形规律及其抗弯刚度有效率,并对试验结果进行对比分析。结果表明:1盾构隧道纵向变形与荷载基本呈线性关系;2通缝、错缝隧道纵向抗弯刚度有效率分别在0.18~0.39和0.20~0.40;3通缝和错缝隧道的纵向弯曲变形性能基本一致,错缝拼装效应对盾构隧道纵向变形的影响并不明显,研究成果可为盾构隧道的设计提供参考。     

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.     

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。     

盾构法施工隧道纵向地层移动与变形预计

将盾构法施工隧道开挖引起的地表下沉以及盾构挤压引起的地表隆起均视为随机过程,应用随机介质理论,对隧道施工所引起的纵向地层移动与变形进行了分析,推导了相应的计算公式。工程实例分析表明,该方法效果良好。     

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。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

盾构隧道纵向计算模型及其问题分析

针对盾构隧道纵向性能问题,将已有盾构隧道纵向结构计算模型进行了归纳,分析了各种模型的优缺点及其适用性,对纵向等效连续化模型中平截面假定的适用性问题和纵向螺栓的环向平均化问题进行了探讨。     

开挖卸荷引起下卧已建盾构隧道的纵向变形研究

开挖卸荷引起的下卧已建盾构隧道纵向变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。将已建盾构隧道视为三参数Kerr弹性地基上的无限长梁,采用两阶段法研究基坑开挖卸荷引起下卧盾构隧道的纵向变形。对简化弹性空间法获得的地基参数进行讨论,通过与有限元模拟结果对比确定了合适的Kerr地基模型参数选取,并对Winkler、Pasternak与Kerr 3种地基模型的模拟结果进行了对比。为获得更合理的上方卸荷引起的隧道响应,推导并求解了考虑隧道侧向土体对隧道作用的平衡微分方程,解析结果与有限元结果基本吻合,与工程实例监测数据对比,验证了方法的有效性。研究表明：相对于Winkler与Pasternak模型,Kerr地基模型更具优越性;对通过简化弹性空间法得到的地基参数进行适当修正可以使弹性地基模型的模拟结果更理想;隧道侧向土体对隧道的作用比较显著,应在计算中考虑。     

大型水下盾构隧道结构健康监测系统的构建与应用

水下盾构隧道结构健康监测系统对于指导水下盾构隧道运营期维护管理工作具有重要意义。探讨大型水下盾构隧道结构健康监测系统的组成、监测重点、系统设计要点、数据管理模式等关键问题,并将其应用于南京扬子江隧道结构健康监测系统的构建。基于监测系统几个月的监测数据,分析水下盾构隧道结构随外载环境变化的响应规律。建立基于在线监测数据的隧道运营安全状况的实时模糊综合评价模型,其中采用三标度法确定权重,采用正态分布型函数确定隶属度,最终实现了对南京扬子江隧道结构健康状况的实时评价和预警。研究方法与思路对类似工程具有借鉴意义。     

模型盾构隧道管片纵缝接头设计方法

考虑到拼装的缩尺模型管片环与原型管片环的纵缝接头刚度相似性难以满足要求,建议缩尺模型隧道采用开槽模型接头,并分别得到了采用两侧同时开槽、内侧开槽及外侧开槽的模型接头设计计算方法。通过开槽模型接头的管片环模型与梁—弹簧模型的计算结果比较,表明开槽模型接头的设计方法可行,开槽模型接头能很好地模拟拼装管片接头。在综合考虑开槽模型接头的开槽宽度对管片环结构内力与变形的影响与开槽模型接头的加工可行性的基础上,建议开槽模型接头对应的管片环中心角取值为3°~5°。提出的开槽模型接头设计计算理论可用于缩尺模型管片环的纵缝接头设计及在惯用法均质圆环的基础上进行局部抗弯刚度折减的数值模型隧道的建模。