盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究

 在分析现有3种双层衬砌数值模型的基础上,提出改进的双层衬砌盾构隧道衬砌梁–接头弹簧–结合面压杆弹簧组合分析模型。该模型采用压杆、结合面点位移耦合等技术,解决现有模型中地层与衬砌之间、双层衬砌结合面之间存在拉力以及结合面剪切应力与剪切位移无关等问题,提出适用于该模型的双层衬砌结合面和地层衬砌接触面参数计算依据,探讨结合面单元数量对分析结果的影响,研究杭长客运专线钱塘江隧道双层衬砌的力学行为。研究结果表明：(1) 双层衬砌厚度增大将引起双层衬砌弯矩明显增大,其增大趋势与双层衬砌厚度增大趋势基本一致;(2) 双层衬砌厚度的增大对轴力的影响甚微;(3) 双层衬砌弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的厚度相对比例无线性关系。研究结果对未来水下双层衬砌盾构隧道的设计分析具有一定的参考价值。     

武汉长江隧道管片衬砌结构受幅宽影响的力学分布特征研究

 以武汉长江盾构隧道为工程背景,通过引入管片接头的弯矩–轴力–转角非线性曲线参数的三维壳–非线性弹簧计算模型对幅宽为1～10 m的管片衬砌结构的三维力学分布特征进行系统研究,并与传统梁–非线性弹簧模型的内力结果进行比较,得出管片衬砌结构受管片幅宽影响的内力分布规律。最后通过大比尺相似结构模型试验对计算成果进行验证。研究结果表明：三维管片衬砌结构的最大正、负弯矩一般发生于幅宽边缘部位;就幅宽边缘的最大弯矩而言,在偏安全地假定环间剪切刚度无穷大的情况下,梁–弹簧模型的最大值和三维结构最大值基本相等,表明采用梁–弹簧模型的计算结果用于结构分析是可以确保安全的;就幅宽中央的最大弯矩而言,梁–弹簧模型的最大值比三维结构相应结果明显偏大,说明采用梁–弹簧模型计算结果进行管片配筋会使幅宽中部区域结构配筋率偏大,造成不必要浪费;大幅宽管片的环间接头径向剪力值比梁–弹簧模型的计算结果小,并且幅宽越大两者差值越大。该研究成果对于类似大型越江和海底盾构隧道优化管片结构配筋和分析管片结构安全具有重要的参考价值。     

封顶块位置对地铁隧道管环力学性能影响研究

在盾构隧道施工和运营期,封顶块位置对盾构隧道的整体结构受力及变形有显著影响,因此对其位置的合理选择进行研究非常必要.采用ABAQUS有限元软件建立壳-弹簧模型,对封顶块不同软土不同埋深及在不同位置下盾构隧道通用管片结构力学行为进行研究分析.结果显示:同种软土中,通用管片整体结构弯矩随着埋深增加,弯矩增大;同种埋深下,随...     

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。     

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析

基于非线性接触理论,考虑盾构隧道结构的非连续性,模拟管片接头结构和管片衬砌与围岩及道床之间的相互作用,建立了道床-管片-围岩的三维非连续接触模型,对盾构隧道管片接头在围岩静压、列车动载作用下的受力与变形进行了深入分析。研究结果表明,围岩静压下拱顶和隧底处的纵向接头部分向内张开,两侧拱腰处的接头部分向外张开,拱顶处的封顶块与邻接块错台较大,拱腰接头受压明显,拱顶接头受压最小,各环管片拱顶处的螺栓轴力最大,隧底处的其次,拱腰处的接头螺栓轴力最小,旋转了一定拼装角度后位于拱肩上部的接头螺栓,其剪力最大;列车动载作用下管片接头的张开错台、混凝土应力以及接头螺栓的内力均在动载施加初期迅速增加,然后明显减小,而后产生波动,其中浅埋地铁隧道拱顶接头的动力响应较隧底接头明显,螺栓剪力在列车动载作用下较螺栓轴力增加的多。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型及其工程应用

提出一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型,该模型可以反映接头抗弯刚度的非线性以及管片与二次衬砌接触面压剪弹簧失效机理。采用该模型对狮子洋隧道衬砌的力学行为进行了分析,结果表明:(1)管片结构最大正负弯矩随接头抗弯刚度增大而增大,而二次衬砌内力及管片结构最大轴力受接头抗弯刚度影响较小;(2)若不考虑管片与二次衬砌接触面的接触弹簧失效,将会使得计算结果量值偏大;(3)当盾构隧道所处岩层均匀时(t/D=0或1,t为结构范围内软弱层的厚度,D为隧道直径),全环各个位置处接头刚度值差别不大,当岩层不均匀时,接头抗弯刚度的取值差异分布显著;(4)径向弹簧、切向弹簧受力的最大值与平均值随着t/D的增加呈增大的趋势。     

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。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

压力隧洞充水运行过程的数值模拟分析研究

在压力隧洞充水运行时，对衬砌与围岩之间的接缝采用接缝空腔单元模拟。运用荷载分级、变刚度迭代的三维弹塑性有限元法合理地模拟衬砌与围岩的接触过程。根据接触过程中衬砌塑性区、应力场和位移场的变化规律，在其可能开裂部位通过设置预裂单元模拟衬砌开裂后其切向应力的释放、转移过程。最后通过一工程实例计算得出一些有实际工程参考价值的结论。     

盾构管片接头interface模型与罚函数接触算法比较

以一类采用斜直螺栓、不设传力衬垫的盾构管片接头作为分析案例,就interface单元模型与罚函数接触算法以及相关参数对应关系等进行了比较,研究表明:(1)管片接头interface单元模型是罚函数接触算法的一种特殊形式;(2)罚函数接触算法中的接触面法向刚度对应interface单元压缩刚度,而“穿透深度”对应Interface单元法向位移;(3)在线性转动阶段,管片接头的转动弹簧模型(弹性铰)、Interface模型、接触算法等3种模型的转动刚度是等效的;(4)采用罚函数接触算法时,接触面法向刚度的选择必须满足转动刚度等效的条件。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

BIM技术在隧道衬砌病害信息可视化中的应用

对BIM技术在运营公路隧道衬砌结构病害检测结果信息可视化展示中的应用展开了研究,通过对AutoCAD和Revit的二次开发,实现隧道衬砌病害的三维可视化。所实施的方法为:将公路隧道的结构进行解构,以便在BIM软件中建立隧道各个构件的空间模型;结合隧道结构特征,推导出将CAD平面图形元素映射到三维隧道空间结构的转换公式;提取隧道病害展示图中特征点的关键参数,把提取的隧道病害的参数进行坐标换算,将隧道病害元素映射到隧道结构的空间模型上,实现了衬砌病害从二维向三维的转化。通过BIM技术展示衬砌病害的三维可视化,为公路隧道的维修养护工作提供便利。     

隧道初支与二衬间接触压力统计分析

复合式衬砌一般由初期支护和二次衬砌共同组成,二者相互作用关系是隧道工程中的研究热点,本文通过对43座隧道79个监测断面初支与二衬接触压力的统计分析,探讨了接触压力的总体分布特征及其与围岩等级、隧道埋深、跨度等因素的关系,研究了二衬荷载分担比在洞周的分布规律,讨论了接触压力随时间的变化规律及其空间分布特征。结果表明:初支与二衬接触压力值分布在10~200 kPa之间;接触压力及其离散程度随隧道埋深增大而增大,Ⅴ级围岩增大趋势比Ⅳ级围岩更明显;二衬荷载分担比集中在0~20%范围内;接触压力有明显的时间效应,随时间的变化表现为快速增长至峰值之后减小,进而缓慢增大趋于稳定,稳定所需时间在二衬浇筑后30 d左右;接触压力空间分布规律为拱顶→拱肩→拱腰→拱墙增大,拱墙→拱脚→拱底减小。研究结论可为隧道结构受力分析与优化提供参考。     

大断面黄土隧道二次衬砌受力特性研究

以兰渝铁路胡麻岭隧道为工程背景,采用现场监测方法得到大断面黄土隧道初期支护与二次衬砌之间的接触压力,并讨论该接触压力随时间的发展规律和沿洞周的空间分布特性。根据铁路隧道设计规范计算得到作用于衬砌结构的计算荷载,采用荷载结构模型分别计算实测和计算荷载作用下的二次衬砌内力,并进行对比分析。研究方法和结论对分析软弱地层衬砌结构的受力特性、建立更加科学合理的隧道设计方法具有一定的参考价值。