考虑不同管片拼装方式的超大直径盾构隧道衬砌受力变形分析

以扬州瘦西湖超大直径盾构隧道为背景,采用有限元法建立能够考虑衬砌块与块、环与环、衬砌与周围土体相互作用的精细化"梁-弹簧"数值计算模型,结合隧道场地条件,计算得到作用于隧道衬砌上的力,采用荷载-结构法计算了错缝和通缝拼装方式下衬砌的内力和变形,分析了不同拼装方式对两者的影响.结果 表明,错缝拼装方式下,衬砌水平位移、竖向位移和角变形均小于通缝拼装方式下的相应值,较通缝拼装分别减少约11.5％、27.7％和26.4％;错缝拼装方式下,衬砌轴力、剪力及弯矩均大于通缝拼装方式下的相应值,较通缝拼装分别增大约19.6％、54.0％和236％;错缝拼装与通缝拼装相比,错缝拼装具有较好的抗变形、防水性能,通缝拼装具有较好的受力、经济性能,考虑到瘦西湖隧道工程投入大、境内水量丰富且变形控制要求高,因此建议选择错缝拼装方式.     

盾构隧道开挖三维数值模拟方法研究

盾构隧道开挖的模拟方法是对隧道-土-结构物相互作用进行三维数值分析的重要考虑因素。对两种典型的模拟方法进行了探讨,一种是更接近真实施工过程的分步开挖法,另一种则是简化的一步通长开挖应力释放法。对比分析表明,两种方法对于地面沉降的预测结果比较接近,而对于邻近桩基础的预测结果之间的差异也不是太大。同时,一步通长开挖应力释放法能得到不同的地层损失,并且建模简单,能够较好地用于分析隧道开挖对地面建筑物及周边地下结构物的影响。     

软土地铁盾构隧道环缝张开可靠度分析

软土地铁盾构隧道运营后,受各种内外部因素影响,隧道产生较大的不均匀沉降,进而产生不同程度的环缝张开,严重影响运营安全。在综合考虑隧道衬砌几何尺寸、纵向曲率半径及沿隧道纵向抗压抗拉刚度比基础上,同时考虑认识不确定性及随机不确定性,通过区间Monte Carlo抽样模拟计算环缝张开的失效概率区间。讨论了环缝失效概率随不同纵向曲率半径及衬砌环沿隧道纵向不同抗压抗拉刚度比的变化情况,定量化的得到两者在一定失效概率区间下的控制范围。为地铁运营养护决策的制定、优化结构和防水设计提供依据。     

盾构管片结构的力学行为分析

基于弹性理论建立了管片结构环向刚度模型以及管片环向内力模型,并对管片接头部位的各相关参数进行了分析。研究结果表明,管片结构内力模型的理论计算结果与有限元计算结果相吻合,具有较高的精度。刚度计算模型能准确地揭示出管片结构环向变刚度的分布规律。环向最大正弯矩会随着管片接头处刚度的降低而增加。环向弯矩的分布状态也会随着接头数量和锲块位置的改变而改变。     

明挖地铁车站基坑与既有盾构隧道复合变形的有限元数值模拟

针对北京地铁五号线地铁车站基坑施工条件下既有盾构隧道的复合变形问题,基于ANSYS,结合场地的水文地质和工程地质条件,按照不同的工况建立了三维数值模型,并进行了施工过程的模拟.通过对结果的对比和分析,揭示了在不同施工状态下,基坑周围土体、支护结构及既有盾构隧道之间相互作用的过程和机理,以及由此引起的围岩变形的分布与变化规律.     

盾构隧道施工过程地表变形的数值模拟计算

为研究盾构隧道在掘进过程中地表不同点的位移变化,建立盾构隧道掘进的有限元模型,对盾构隧道的开挖进行了有限元数值模拟．结果表明：盾构隧道在掘进过程中,会导致地下土体应力释放,使地表土发生相应沉降,并且隧道纵向轴线正上方地表点的沉降变形最大．当掘进距离超过一定深度后,其后方较远地表点的沉降变形趋于稳定．盾构的顶推力会导致其前方一定范围的地表土发生向上隆起．在注浆层硬化前、后过程中,不论是拱脚、拱顶及对应地表点的沉降位移均会比注浆层硬化前要大．     

崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计

为了研究盾构法隧道管片衬砌结构强度的历时老化和衰减及其服务寿命的预测问题,提出了对其进行耐久性设计的一种基本方法。主要讨论的内容有：钢筋混凝土管片结构的腐蚀机理;影响隧道混凝土结构耐久性的主要因素;管片接头螺栓和防水材料的耐久性;钢筋混凝土管片结构耐久性设计方法;隧道结构服务寿命预测,以及提高隧道管片衬砌耐久性的工程措施——综合防治。该研究成果已在崇明长江隧道工程中得到了初步应用。     

黄土地层中盾构隧道管片上浮机理与影响因素分析

盾构隧道掘进过程中的管片上浮是一种普遍存在且影响施工质量的重要问题.结合工程实例,对黄土地层中盾构管片的上浮原因进行了总结分析,提出为了平衡盾构机机体重力差,预先设置一个千斤顶推力的仰角,并通过有限元数值模拟,分析了不同埋深下的地层作用、浆液浮力、注浆压力差以及千斤顶推力对管片上浮量的影响,得出注浆压力差与千斤顶推力的大小是影响管片上浮的主要原因的结论,并提出合理控制千斤顶推力的大小可起到减轻管片上浮的作用.     

盾构隧道衬砌结构的力学模型

以南京地铁玄武门站-许府巷站区间盾构隧道为例,建立自由变形圆环、多铰圆环、梁-弹簧3种力学模型,进行衬砌结构的内力计算和分析．     

水下隧道周围土体及衬砌变形力学性状研究

以拟建的哈尔滨松花江隧道为例，直接针对隧道安全运营，采用因子对目标函数影响的优化思想，在假定不同工况的若干种设计模型下，考虑土体-衬砌相互作用及材料变形的非线性特性，建立尽可能逼近实际问题的有限元计算模型．基于ANSYS软件反复进行数值模拟实验，研究隧道周围土体及衬砌变形的力学性状，并据此预估隧道最危险破坏点，为合理确定隧道覆土层安全厚度提供理论依据．     

采空区剩余变形对运煤隧道稳定性数值模拟

运煤隧道经过采空区受到剩余变形而产生附加应力的影响,而附加应力的大小又与剩余变形的量值有关.通过理论分析与计算,得出了采空区产生的剩余变形量,并把剩余变形量按边界条件加载到三维数值模型上,按照隧道稳定验算的弹性梁理论,计算隧道的稳定性;得出了在剩余变形作用下,运煤隧道经过采空区稳定的结论.     

楔形舵片失速特性的数值模拟和水洞试验

为获得楔形超空化舵片在大舵角情况下的失速特性并探究其失速机理,针对采用24°楔形舵片作为艉控制面的超空泡航行体在低速通气条件下的绕流问题,分别构建三维数值模型和水洞试验系统,同时采用数值模拟和水洞试验两种手段研究楔形舵片的升/阻力特性和低压面空化情况随舵角的变化关系.研究结果表明:提出的数值方法和试验方案是合理的;楔形舵片的阻力系数在0°~5°舵角变化的影响较小,升力系数在0°~8°和9°~12°舵角范围内均具有良好的线性度,但后者斜率远小于前者;楔形舵片在舵角超过8°时升力系数突然减小并发生失速现象,舵片低压面发生空化并被空泡覆盖;低压面因空化致使压力不能进一步降低是导致舵片发生失速的根本原因,对于24°楔形舵片的许用舵角范围不应超过8°.     

基于弹性地基曲梁理论的盾构隧道管片分析方法

基于弹性地基曲梁理论,考虑管片接头的抗弯、抗压和抗剪性能,采用状态空间法,求得圆形盾构隧道管片环在周围土压力作用下变形和内力的解析解. 通过与有限元和简化解结果的对比,验证了解析结果. 参数分析表明,在盾构工法的典型地层范围内,接头剪切刚度的变化对衬砌内力和变形的影响明显小于其他2个方向刚度的变化. 衬砌的水平变形由受压内缩趋势和荷载差异导致的横扩趋势共同决定. 接头轴向刚度的削弱加剧内缩趋势,土弹簧的存在对上述2种趋势的发展起限制作用. 当接头轴向刚度较小时,内缩趋势占主导地位,将导致衬砌向内的水平变形.     

Numerical analysis of water inrush from working-face floor during mining

Confined water in the Ordovician limestone is one of the hidden troubles that threaten safe production of mines in north China. A numerical model of the key strata was developed. It included the structural characteristics and mechanical properties of the floor rock at the working face of a particular coal mine. The model was used to predict failure modes and to help establish rules for safe mining above the aquifer. The distribution of deformation, failure and seepage was simulated by using Dilian Mechsoft's Rea- listic Failure Process Analysis (RFPA2D) program. The stress distribution, the deformation and the flow vectors were also obtained. The results indicate that: 1) The original balance of the stress and seepage fields is disturbed due to coal mining; and 2) As the working face advances different deformation, or failure, appears in the surrounding rocks, the water-resisting strata in floor may be destroyed and the passage of water from the aquifer into the mine may occur. The combined action of mining stress and water pressure ultimately lead to water inrush from the floor.     

Influence of pore water pressure on upper bound analysis of collapse shape for square tunnel in Hoek-Brown media

To investigate the effective shape of collapsing block in square tunnel subjected to pore water pressure, the analytical solution of detaching curve was derived using upper bound theorem of limit analysis with Hoek-Brown failure criterion. The work rate of pore water pressure, which was regarded as an external rate of work, was taken into account in the framework of limit analysis. Taking advantages of variational calculation, the objective function with respect to detaching curve was optimized to obtain the effective shape of collapsing block for square tunnel. According to the numerical results, it is found that the varying pore water pressure coefficient only affects the height and width of the collapsing block, whereas the shape of collapsing block remains unchanged.     

某岩溶隧道围岩稳定性及涌水量预测的流固耦合分析

以沪蓉西高速公路乌池坝隧道为工程背景,建立了岩溶隧道三维地质模型,分析了在流固耦合条件下隧道轴向和垂直隧道轴向方向上的隧道围岩应力特征,讨论了围岩应力与分析断面距暗河、地表岩溶洼地之间距离以及与工况之间的关系,分析了各种工况条件下隧道典型断面洞壁的位移变化情况,对隧道的涌水量进行了分析和预测.研究和分析结果可为岩溶地区隧道的围岩稳定性分析和涌水量预测提供参考和帮助.     

热力响应下衬砌隧道附加应力场的敏感性分析

针对核废料深埋处置遇到的热力耦合问题,研究一个深埋衬砌隧道热力响应下的附加应力场问题.考虑全场的应力变形特征,运用复变函数的罗朗级数展开技术,构造合适的应力函数,结合边界条件和无穷远的性态,获得了全场复势的解析表达,对孔口应力的敏感性分析显示:相对于无衬砌的情况,软衬砌的存在可以有效降低孔口应力,当衬砌厚度达到某个值时,孔口应力最小,过厚、过薄的衬砌对降低孔口应力都是不利的;对于硬衬砌隧道,当衬砌厚度达到某个值时,会出现应力集中现象,为了降低孔口应力,必须增加衬砌厚度;在一定情况下,由于热膨胀产生的热应力,也可以降低孔口应力.