盾构隧道纵向接头局部足尺试验研究

沿盾构隧道纵向,管片环与管片环之间的接头称之为纵向接头。纵向接头是变形的薄弱部位,在变形过程中受到相邻管片的约束,其受力特点与管片接头不同。文章首先采用数值模拟方法,研究纵向接头局部试验的可行性,然后开展纵向接头局部足尺试验,研究接头的受力变形特征,所得结论如下：对纵向接头进行分析时,对比整环模型及纵向等效刚度梁模型计算结果,两者接头张开量、螺栓应力相差在11%以内,管片结构塑性损伤区分布特征基本一致,故纵向等效刚度梁模型可作为纵向接头局部足尺试验的依据;纵向接头局部足尺试验时,纵向接头张开量的变化对轴力更加敏感,螺栓应变增长与环间力(轴力、弯矩)的增加基本保持一致。接缝转角在环间拉力下趋近于0,且追随环间弯矩的变化;各工况中构件表面混凝土最大拉应变出现在套筒侧管片外表面中部,最大压变出现在手孔侧管片的内表面。破坏试验中,纵向拉力3232kN时管片结构先于螺栓破坏,此时螺栓未达屈服强度。     

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。     

考虑接头正接触非线性的盾构#br# 隧道管片接头力学模型研究

因盾构隧道接头传力具有显著的接触非线性,接头力学分析一直是盾构隧道结构分析的难点。文章针对盾构隧道管片接头在轴力和弯矩作用下的非线性变形问题,提出一种新的接头力学分析思路,通过引入刚性面假定、基于位移的接头力学建模方法、反平方根滤值函数,建立管片接头正接触非线性力学模型。研究发现：接头具有多种接触状态,反平方根滤值函数可以有效的反映接头正接触非线性;管片接头力学性能可由管片混凝土和螺栓力学性能两部分描述,其中管片混凝土变形能力与位移偏心距有关,螺栓变形能力主要与预紧力有关;从狮子洋和南京长江盾构隧道的试验数据对比来看,接头正接触非线性力学模型是合理的,接头力学模型性能与接头试验结果基本吻合。     

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。     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

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。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究

地铁通车运行后,会因多种原因产生盾构隧道纵向不均匀沉降,诸如列车振动、渗漏、土体不均匀性等。隧道纵向过大,不均匀沉降会严重影响地铁的运行安全。基于某地铁隧道的纵向沉降实测数据,分析了纵向沉降对隧道结构安全性的影响。首先用抛物线分段模拟了隧道的纵向变形,得出了隧道纵向变形曲率;然后以等效轴向刚度模型为基础,建立了隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。通过对计算结果的分析,可较全面地了解整个隧道的纵向沉降以及隧道管片环缝张开量的现状,从而为软土隧道的运营阶段维护、改善结构和防水设计、施工方法等提供依据。     

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯纯弯拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。     

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     

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈“S”型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。     

壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响

壁后注浆作为盾构隧道施工中必备和关键工序,其质量的好坏不仅影响地层变形,还可能引起隧道在施工期的上浮,对结构产生较大影响。基于等效连续化模型和弹性地基梁理论,建立盾构隧道纵向分析模型,通过有限元数值模拟,求得最大上浮变形出现在盾尾后10环附近。借助环缝最大张开量这一参数,分析土层反力系数、环缝连接螺栓数量、隧道掘进速度及管片环宽度的影响,得到如下结论:(1)环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增大而减小,随隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大,且较为显著;(2)当隧道周围地层反力系数较小时,通过适当的地基处理方法来提高反力系数效果显著。     

盾构管片接头转动刚度的理论与实验分析

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。本文在已有接头计算模型的基础上,引入简化假设,推导出了管片环向接头的力学模型,该模型考虑了混凝土的接触压力、螺栓的预紧力以及针对密封垫的修正。利用该模型可以得到接缝转角、张开量、螺栓拉力和接头转动刚度等内力和变形信息。为了验证模型的准确性,针对上海地铁区间隧道管片纵向接头进行了1∶1足尺加载试验,将试验的量测结果与理论模型的计算结果进行了对比。结果表明,计算模型可以很好反映接头的受力和变形情况。     

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。     

盾构隧道管片接头三维有限元分析

钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元,其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环有削弱作用,使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分析,得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现,正弯矩作用下的接头强度取决于接头的局部强度;接头极大降低了管片环的整体承载能力;螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管片接头强度。     

基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向非线性变形研究EI北大核心CSCD

目前预测基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的简化计算方法大多采用弹性地基模型考虑隧道–地基的相互作用,无法进一步反映土体非线性变形特征。通过引入非线性Pasternak地基模型考虑隧道–地基的非线性相互作用,推导得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形控制微分方程。通过有限差分法将隧道纵向变形控制微分方程转化为矩阵–向量形式,利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答。通过与三维有限元算例和2个工程案例进行对比分析,验证所提方法的合理性和适用性。研究表明:当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起量较小时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法与所提方法均能较好地预测隧道纵向隆起位移量;而当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起位移较大时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法明显低估盾构隧道的隆起量,而采用非线性Pasternak地基模型预测计算方法则提供更加可靠的预测结果。     

临近基坑开挖对地铁区间隧道影响评价

地铁附近的基坑施工是影响区间隧道及地铁车站正常运营的一个重要性因素。若施工方案不当或保护措施不够,很可能引起区间隧道发生过大的不均匀变形。针对基坑开挖对地铁区间隧道的影响评价,本文提出了一种数值方法与解析方法相结合的新方式。首先利用纵向刚度等效和横向刚度等效原则建立了模拟区间盾构隧道的三维等效连续化模型,实现较为精确且方便的三维弹塑性有限元分析;然后采用三次多项式曲线进行拟合,分析基坑开挖各工况下隧道的纵向变形曲率的变化;另外,利用解析推导建立纵向弯矩和管片接头环缝张开量之间的关系,从而实现在三维弹塑性数值模拟结果的基础上结合解析推导的全面评价,为地铁区间隧道的运营阶段保护提供参考。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究

以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象,引入各向刚度不等的连续材料模型,按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减,采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景,对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,探讨和揭示围岩条件,隧道净距,顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近,在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的,盾构顶推力需控制在一定范围内,具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定.