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。     

天津滨海Z2号线盾构隧道接头螺栓比选及抗弯刚度研究

针对不同形式螺栓接头,充分考虑复杂接缝间的不连续性及接头预紧力,以天津滨海Z2号线盾构隧道管片纵缝为研究对象,分析比较了直螺栓、斜螺栓和弯螺栓三种接头在不同弯矩和轴力条件下对管片接缝力学性能的影响。根据分析结果给出了三种螺栓接头的适用性,以及三种螺栓接头在不同埋深、弯矩作用下的抗弯刚度建议值。研究结果表明:螺栓形式对螺栓最大受力位置影响很小;螺栓拉应力和接缝张开量随轴力的增大而减小,但接头抗弯刚度均随之增大;螺栓拉应力、接缝错台量和张开量随弯矩的提升而增大,但接头抗弯刚度随之减小。     

盾构隧道管片横向变形对接头抗弯刚度的影响

大量接头的存在是盾构隧道的一大特点,接头刚度的大小对管片环整体力学性能发挥起着至关重要的作用,其中最能体现接头刚度的参数是接头抗弯刚度。基于不考虑弹性衬垫的接头力学模型,通过"经典条带法"反算结构弯矩,建立管片接头抗弯刚度的双直线模型,分别得到正负弯矩区域的接头抗弯刚度拟合结果;发现不同侧压力系数下,正负弯矩区域的接头抗弯刚度比λ均随管片直径变化量ΔD的增大呈非线性减小趋势。     

斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变形的影响

盾构隧道管片接头的性能对衬砌环的受力和变形有很大影响,尤其在软土地区,接头变形过大会造成渗水和漏泥等危害。以盾构隧道复合管片斜螺栓接头为研究对象,基于实际隧道工程,利用ABAQUS建立了复合管片及斜螺栓的三维实体模型,对管片环向斜螺栓接头在荷载作用下的受力及变形规律进行研究,分析不同等级普通螺栓和高强螺栓对接头错台量和张开量以及斜螺栓应力应变的影响。分析结果表明:斜螺栓接头承受正弯矩的能力优于负弯矩;采用高强螺栓能够有效的减小接头张开量,增大接头刚度,从而减小渗漏现象;弯矩较大时,螺栓等级越高,高强螺栓对错台量的控制越好;同样荷载条件下,高强螺栓应力大于普通螺栓,但应变较小,等级越高应变越小。     

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。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

复杂接缝面管片接头的力学性能数值分析

根据武汉长江隧道工程管片接头所具有的复杂接缝结构特点,采用三维非线性有限元方法,对管片混凝土和接头承压衬垫均采用非线性材料性质,对螺栓采用三维实体结构模拟并考虑了螺栓预紧力的作用,对榫头采用三维实体模拟并考虑了接触关系,完成了对管片接头力学特征的分析研究。分析表明,接头弯曲刚度随接头弯矩增大而明显减小,但当弯矩增至一定程度后,接头切线弯曲刚度反有轻微增大;随接头弯矩的增长,端面混凝土最大压应力也相应增大,但当接头弯矩增到一定程度后,接头端面混凝土最大压应力数值趋于稳定不变;随接头正弯矩增大,弯螺栓拉应力将有明显提高,而随接头负弯矩增大,弯螺栓拉应力将会有所衰减。研究结论可供类似盾构隧道工程参考。     

结构参数对异形断面盾构隧道管片力学特性的影响研究

为研究设计参数对矩形盾构隧道装配式衬砌结构受力的影响,采用ANSYS有限元软件,建立了矩形盾构隧道装配式衬砌内力计算的梁-弹簧模型,探讨了断面形式、分块数量、管片厚度和接头刚度对管片内力的影响规律。计算结果表明:4种典型矩形盾构隧道结构断面形式中,类椭圆和曲墙曲拱断面的异形断面断面受力状况较优。不考虑接头位置,仅分块数量的改变对管片内力的影响相对较小。随着管片厚度的增大,管片的内力均有所增大,管片厚度的改变对剪力影响最明显,对轴力的影响小。接头刚度的改变对管片弯矩和剪力的影响明显,对轴力的影响较小,接头刚度的影响呈现明显的区段性,在接头刚度较小时变化较快,之后变化趋于平缓。     

青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

纵缝转角刚度、纵缝（环缝）剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数，历来是本领域研究的重点和热点。结合青草沙水源地原水工程，通过管片接头 原型荷载试验 ，对上述关键计算参数进行研究。试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型，负弯矩作用下转角刚度近似成线性，而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同。在纵缝和环缝剪切试验中，管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段，其中错动主要发生在第二阶段。弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小。并且当纵缝转角刚度较大时，弯矩传递系数较小，反之亦然。最后结合试验结果，给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些 有益 的结论，以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

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。     

高轴压作用下盾构隧道复杂接缝面管片接头抗弯试验

在采用盾构法应对大埋深、高水压等特殊环境时,具有凹凸榫、双侧止水构造的复杂接缝面接头大量运用,在该情况下其抗弯性能较为复杂。文章结合广深港高速铁路狮子洋隧道工程,针对高轴压作用下复杂接缝面管片接头的抗弯性能、破坏特征开展了足尺试验研究,试验结果表明,高压作用下管片接头抗弯刚度在初始段小弯矩作用下增长近似线性,后段呈明显非线性,而且轴力水平越大线性段保持越长;由于负弯曲时管片内侧接触传力区混凝土参与受压,增加了接缝面的抗弯能力,使负弯荷载下抗弯刚度比正弯荷载下抗弯刚度略大。接缝面张开情况随弯矩呈“台阶状”变化,在接缝面线性张开时轴力的增长对于接缝面张开的约束作用不明显,而非线性增长阶段轴力对与张开量的约束明显;止水材料对于接头抗弯刚度的影响很小,在进行管片接头抗弯刚度的设计与计算分析时可忽略不计;正弯荷载与负弯荷载作用时管片接头的破坏过程不同,正弯荷载作用下接头螺栓先于接头破坏,负弯荷载作用下接头破坏时螺栓未破坏。研究结果可为盾构法隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

基于修正纵向等效连续化模型的隧道变形受力研究

及时掌握隧道结构变形受力情况对于保证地铁运营安全意义重大。通过增加考虑横向刚度、环缝作用范围和螺栓预应力的影响,建立了新型的盾构隧道修正纵向等效连续化模型,据此提出了弹、塑性状态下隧道纵向等效抗弯刚度、极限弯矩以及最大环缝张开量的计算方程；以上海地铁二号线为工程背景,分析了横向刚度和环缝作用范围对隧道等效抗弯刚度的影响规律；之后建立了5类隧道结构临界状态下隧道纵向曲率半径、接缝张开值、管片应力、螺栓拉力的求解公式,并求得了对应的界限指标,所得指标值可作为隧道健康状态诊断的依据。     

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。     

基于薄壁圆柱壳理论的盾构隧道抗震拟静力分析法

为简化盾构隧道抗震分析,在获得深埋盾构隧道周边自由场剪应变和剪应力的基础上,基于弹性薄壁圆柱壳理论,给出了求解深埋盾构隧道水平地震剪切波作用下的附加内力计算公式,并与同等条件等效刚度数值分析方法结果进行了对比。研究表明：滑移和不滑移条件下的拟静力计算结果与相应的数值分析结果具有良好的一致性,说明基于弹性薄壁圆柱壳理论获得的盾构隧道拟静力公式具有良好的合理性。研究还表明：水平地震剪切波作用下,可滑移条件下的附加弯矩和附加剪力分别大于不滑移条件下的附加弯矩和附加剪力,可滑移条件下的附加轴力小于不滑移条件下的附加轴力;附加弯矩和附加轴力呈现反对称分布特性,其最大值通常分布在45°和225°雷达对称轴或135°和315°雷达对称轴上,附加剪力最大值一般分布在0°和180°雷达对称轴上。研究结论对盾构隧道工程抗震设计具有一定的参考价值。     

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。