基于有限元模拟盾构隧道管片加载的研究综述

运营期间地铁盾构隧道受到各种复杂因素影响,容易导致管片破损和开裂,影响隧道的正常运营。采用有限元模拟盾构隧道衬砌受力与变形是一种常见的研究方法。对国内外采用有限元模拟盾构隧道管片的研究现状进行了阐述,根据研究方法将其分为地层-结构模型法(二维和三维计算模型)和荷载-结构模型法(多铰圆环法、梁-弹簧模型法、壳-弹簧模型法和三维实体精细化模型法)两大类,对研究进展进行了综述,指出目前研究存在的不足并作进一步的展望。     

超深埋盾构隧道管片结构设计新方法与实践

对埋深60 m级超大直径盾构隧道受力机理进行研究。以虹梅南路越江隧道为背景工程,通过现场实测手段,首次捕捉该深度条件下隧道结构土压力数据,得到超深埋盾构隧道的荷载分布规律。通过提出新的隧道结构内力计算模型,丰富超深埋盾构隧道结构设计理论。该工程采用新方法设计后管片含钢量明显下降,创造极大的经济效益,为软土地区同类隧道工程的设计提供新的方法和依据。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

复合地层盾构隧道围岩压力计算方法研究

当前复合地层中盾构隧道的建设大量涌现,而对于复合地层中盾构隧道围岩压力的计算尚存争议。鉴于此,通过分析经典修正惯用法在复合地层围岩压力计算中存在的问题,分别提出盾构隧道位于软硬土复合土层及软土硬岩复合岩土层的荷载计算模式,并基于极限状态理论范畴的滑移线理论推导复合土层下部主动土压力的计算公式。最后,针对实际工程中出现的以上2种典型复合地层,采用提出的计算方法与修正惯用法及实测结果进行对比。结果表明:修正惯用法的荷载模式过分夸大了隧底被动反力,造成计算得到的围岩压力与复合地层隧底的实际受荷状态不符,使隧道底部的变形计算结果出现向上的位移,且所得内力与实测结果相差较大;而采用提出计算方法得到的围岩压力与实测值更为吻合,隧道变形计算结果更合理,所得内力分布更符合实际,量值与实测值偏差较小,验证了所提计算方法的正确性及可靠性,可为复合地层盾构隧道的设计和研究提供参考。     

双圆盾构隧道衬砌结构设计及参数研究

评价了盾构隧道衬砌结构设计模型及其发展现状,指出不同计算模型的特点和适用范围,通过上海地铁M8线实际工程对不同计算模型进行了分析和对比,重点讨论了双圆DOT(Double-O-Tube)盾构隧道结构计算中各种设计参数对计算结果的敏感性。研究结果表明,双圆盾构隧道结构计算中,目前常用的几种计算模型(修正惯用法、梁-弹簧模型等)都能满足工程设计的具体要求,关键在于计算参数选择的合理性和匹配性。不同的设计参数对结构计算结果的影响程度各不相同,对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略,否则计算结果将偏不安全。     

偏压小间距隧道荷载结构计算模型研究

荷载结构法是目前隧道结构设计比较通用的方法,为了简化计算,人们建立了多种隧道荷载结构的计算模型.文章采用荷载结构法,通过对荷载结构计算模型的分析和比较,总结了各种计算模型的特点.以云南元磨高速公路平年小间距隧道为例,进行有限元数值模拟,并将数值模拟结果和所采用的楔体结构模型计算结果进行对比分析,得到的关于隧道结构计算模型的几条结论,对偏压隧道的荷载结构计算具有一定的参考价值.     

某油气管道隧道结构设计与分析

油气管道隧道断面形式小,荷载条件复杂,其衬砌的受力特性和普通的铁路、公路隧道有所不同。以某油气管道隧道为例,建立岩体结构平面应变分析有限元模型,对隧道围岩地层的应力、位移、变形和内力进行结构计算,得出隧道衬砌的强度安全系数及结构裂缝宽度,确定和验证了隧道围岩的支护方式。分析可知,用有限元数值方法对隧道进行结构模拟计算能较真实地反映隧道结构的内力和变形情况,可以用于对二次衬砌结构安全性能进行评价,为类似隧道的结构设计提供科学依据。     

穿越上软下硬复合地层交界面的双线盾构隧道开挖稳定性分析

随着城市隧道数量的增加、分布范围的扩大,穿越复杂地层条件已是城市盾构隧道在设计与施工中难以避免的问题。广州地区大范围分布砂层与岩层上软下硬复合地层,盾构隧道穿越时面临较大的复杂性和不确定性。以广州轨道交通L8北延伸段石—亭区间隧道工程为例,采用AQAQUS通用有限元平台建立盾构双线隧道开挖的2D数值计算模型,分析隧道穿越砂-灰岩交界面引起的地层变形规律、隧道衬砌受力及变形特征。结果表明,在砂-灰岩交界面处双线盾构隧道开挖造成衬砌的不均匀变形,应力的分布随着交界面位置的变化而发生规律性的改变。为穿越砂-灰岩交界面盾构隧道的设计与施工提供借鉴和参考。     

不同盾构管片计算软件的比较与应用

随着城市轨道交通的迅速发展,盾构法施工技术的应用越来越广泛,但在盾构隧道管片计算方法及计算软件的选择应用方面,还没有达成统一。从两种常用的盾构管片计算分析软件——"同济曙光盾构隧道分析软件"与"火炬软件"入手,采用较为合理的计算模型,结合实际工程资料,进行盾构管片结构内力计算分析比较。通过比较分析两种软件的建模方式、考虑的荷载工况及计算结果的异同,提出关于盾构管片计算方法方面的建议,为更合理地选择盾构管片计算软件提供参考。分析结果显示,"同济曙光盾构隧道分析软件"在软件建模、荷载工况设置以及结果分析上都更有优势。     

泥岩砂岩交互地层盾构掘进速率的多元回归分析预测

基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验,对泥岩砂岩交互地层条件下越江隧道盾构掘进速率预测进行了研究。利用现场采集的数据,运用多元回归分析的方法,主要分析了盾构掘进速率与岩石点荷载强度及刀盘推力的关系,分别构建了泥岩和砂岩地层盾构掘进速率的预测模型。在两种地层条件下,盾构掘进速率均随岩石强度的增大而降低,随刀盘推力的提高而增大,掘进速率与刀盘推力、点荷载强度均呈指数函数关系。该模型参数少、形式简单、使用方便,预测精度较好。经过简单变换,模型还可用于推求地层的岩石强度。     

热力暗挖隧道结构内力计算分析

热力管网地下结构的内力计算模型分为荷载结构模型和地层结构模型。岩土的弹性抗力系数在结构计算中是重要的力学参数,通过自行研制组装的大尺寸地层弹性抗力系数测试系统,根据不同地层的特点在北京地区不同区域的热力工程施工现场,进行原位试验,取得了北京典型地层的岩土力学参数,并根据实测的参数采用有限元分析技术对浅埋暗挖热力隧道结构的内力进行分析,得到隧道衬砌结构内力与地层弹性抗力系数的比例关系,为热力隧道结构设计提供一定的参考。     

跨地裂缝地铁隧道竖向地层压力计算方法探讨

 地裂缝是一种特殊的地质灾害,其活动方式主要表现为地层的垂直错动并引起地表破裂,对工程建(构)筑物危害十分严重。地裂缝活动引起其两侧地层的差异沉降会在跨越地裂缝带的地下结构上产生不同于一般地层的附加应力(压力),导致地下结构纵向拉裂甚至直接剪切或剪断破坏。如何求解地裂缝环境下地层有效荷载是跨越地裂缝带地下工程结构设计的关键。以西安地铁穿越地裂缝带为研究背景,通过对浅埋暗挖地铁隧道穿越地裂缝带大型物理模型试验作用机制及数据的分析,建立地裂缝活动环境下地铁隧道与周围土体荷载结构模型,用于计算跨地裂缝段地铁隧道结构上覆竖向地层压力的大小。探讨性地提出基于地层挟持作用的地裂缝荷载计算方法,并与基于马斯顿原理的地裂缝荷载计算法及规范法进行对比,最后与模型试验结果进行对比验证与讨论,认为基于地层挟持作用地裂缝荷载计算法是计算跨地裂缝地段地铁隧道结构上覆地层土压力的有效方法,该方法对于地面沉降地裂缝发育区地铁隧道及城市地下工程设计具有重要指导和参考价值。     

软土地区盾构隧道施工数值模拟研究及应用

数值模拟已成为分析盾构隧道施工的重要手段,而计算准确性的关键是选择合适的土体本构模型及确定正确的参数。为研究适用于上海地区软土地层盾构隧道施工数值模拟的土体本构,结合上海工程实例,分别采用摩尔-库伦模型（MC）、土体硬化模型（HS）、小应变土体硬化模型（HS-Small）,对盾构隧道施工进行数值模拟,通过与ANSYS理论计算结果进行对比,分析不同土体本构模型在数值模拟中的适用性。研究发现,针对上海地区软土地层,在盾构隧道施工工程中采用摩尔-库伦模型（MC）、土体硬化模型（HS）的计算结果与ANSYS理论计算结果吻合度较高。这些模型已成功应用在实际隧道工程的结构受力分析中。     

复杂地质条件下地铁盾构关键技术问题研究

针对复杂地质条件下地铁盾构隧道设计与施工遇到的问题,以某地铁盾构区间为例,从区间地层特点、盾构始发与接收加固、盾构选型及管片结构设计、立交桩基近距施工等方面对区间盾构隧道关键技术问题进行了分析,并提出相应的设计与施工方法,对类似地铁盾构隧道具有借鉴意义。     

偏压连拱隧道结构荷载计算及监测分析

依托工程实例,基于双塌落拱假定,并考虑偏压地形产生的地层推力对连拱隧道衬砌结构造成的影响,建立改进的结构-荷载模型进行偏压连拱隧道衬砌结构荷载计算,并与地层-结构模型以及监测数据比较,得到改进的结构-荷载模型的适用性。结果表明,在隧道周边围岩状态较差,隧道开挖可能引起边坡滑移的情况下,改进的结构-荷载模型可以很好地预测隧道结构的危险位置,适用性较好;对于围岩条件较好或者偏压地形作用不明显时,计算结果相比地层-结构模型以及实测数据更安全。     

泥岩砂岩交互地层盾构掘进速率的多元回归分析预测

基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验，对泥岩砂岩交互地层条件下越江隧道盾构掘进速率预测进行了研究。利用现场采集的数据，运用多元回归分析的方法，主要分析了盾构掘进速率与岩石点荷载强度及刀盘推力的关系，分别构建了泥岩和砂岩地层盾构掘进速率的预测模型。在两种地层条件下，盾构掘进速率均随岩石强度的增大而降低，随刀盘推力的提高而增大，掘进速率与刀盘推力、点荷载强度均呈指数函数关系。该模型参数少、形式简单、使用方便，预测精度较好。经过简单变换，模型还可用于推求地层的岩石强度。     

地表堆载作用下盾构隧道纵向受力机制试验研究

通过开展室内模型试验,探究地表堆载诱发下盾构隧道纵向受力变形特性。应用3D打印技术制作的盾构隧道模型,可以较好地反映真实盾构隧道管片结构特点,克服精细化盾构隧道模型制作困难的问题。首先通过开展盾构隧道模型集中荷载试验,探究盾构隧道纵向等效抗弯刚度变化规律;其次开展地表堆载试验,研究地表堆载诱发下盾构隧道受力与变形特征。试验结果表明：盾构隧道纵向等效抗弯刚度有效率并非一个常量,而是随着集中荷载增大而减小,本试验得到其值在0.176～0.044范围;在地表堆载诱发下,盾构隧道拱顶沉降呈正态分布曲线形态,主要沉降范围在加载宽度范围内;地表堆载作用下拱顶土压力分布变化特点与拱顶沉降相似;随着地表荷载增加,通过隧道中间环四周土压力监测发现,拱顶土压力增量最大,拱底次之,拱腰最小;受地表荷载作用,盾构隧道衬砌结构发生“横鸭蛋”状收敛变形,其中拱顶位移最大,拱腰次之,拱底最小。试验结果揭示了盾构隧道结构变形特性和地表堆载条件下盾构隧道与地层相互作用机制,对突发堆载下既有隧道的保护提供了参考依据。     

不同计算软件在盾构管片内力分析中的应用与比较

从盾构管片的计算模型与荷载模式入手，并结合工程实例，运用“同济曙光盾构隧道设计与分析软件”与Midas／civil软件进行盾构管片结构内力计算与比较，分析其结果的差异与原因，为计算软件的合理选取提供参考。     

液化区盾构隧道位置对上浮效应影响研究

为研究可液化地层中盾构隧道上浮的影响因素,依托某地铁工程,用ANSYS建立了"荷载-结构"模式与"地层-结构"模式相结合的有限元模型,研究了液化区长度和隧道埋深对盾构隧道上浮力学特性的影响规律.结果表明:液化上浮计算中,衬砌危险位置发生在土体液化区与非液化区的交界面;液化区长度越长,衬砌的上浮位移和轴向应力越大;隧道埋...     

地铁盾构隧道管片结构初始状态的数值模拟分析

求解地铁管片结构在爆炸荷载下的破坏响应时,管片结构及其周围介质在初始地应力场作用下的应力和变形状态至关重要,直接影响到地铁管片结构的抗爆炸承载能力。为解决对管片结构和周围介质的静力状态进行直接分析计算对硬件和软件要求非常高且计算较难收敛的问题,考虑到地铁管片结构纵向地层条件基本不变,将模型简化为二维模型进行计算,并将模拟计算结果映射到相应三维模型中,再考虑锚固螺栓初始预紧力的影响,求解得到了地铁管片结构的初始应力和应变状态。并对不同埋深状态的管片结构初始地应力进行了计算比较。计算表明:该方法能很好简化并解决盾构隧道复杂结构三维模型的静力分析问题。