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。     

模型尺寸对地铁隧道动力响应数值分析的影响

以上海地铁为背景,分析运营期间隧道衬砌结构的状态。结合有限元法,选用实体单元模拟隧道衬砌结构和土体,仿真分析运营状态下的隧道衬砌结构,通过Newmark积分算法分析其动力响应,并比较不同尺寸模型的计算结果。结果表明,列车荷载作用下,隧道衬砌结构在竖向的动力响应最大,沿列车行驶方向的动力响应最小,横向加速度响应和列车运行位置有关。通过几种模型尺寸分析,衬砌结构在深度的变形量最大,但是宽度方向和长度方向的变形量在实际工程中不可忽视。模型尺寸的深度变化对其动力响应和变形影响明显,模型深度尺寸增加,变形量先增大后减小,而宽度变化的影响相对较小。通过数值模拟可为工程结构的监测分析提供理论依据,为计算模型的选择提供参考。     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

高烈度地震区公路隧道明洞抗震计算分析

采用FLAC3D对9度地震区一实际重大工程的公路隧道明洞结构进行了抗震计算,得到了衬砌结构各控制点的加速度及内力响应规律,同时比较了不同填土厚度条件下衬砌结构的安全性能。结果表明:在50 a超越概率为10%的人工合成地震波条件下,衬砌的控制设计位置为衬砌墙脚、仰拱;随着填土厚度的增加,支护结构安全系数普遍降低;拱肩部为临界稳定位置等。     

地震波斜入射地下隧道地震响应：2.5维FE-BE耦合模拟

针对地震波斜入射导致的非一致地震激励结构地震响应问题,提出了地下隧道三维地震响应分析的一个2.5维有限元–边界元（FE-BE）耦合分析方法,该耦合方法具有分析效率高和计算精度高的优势。利用有限元模拟隧道结构,并引入弹簧单元考虑衬砌管片接头的影响;半无限土域利用基于场地三维动力刚度矩阵和移动斜线荷载格林函数的边界元方法模拟。通过与文献结果比较验证了耦合方法的正确性。利用该2.5维FE-BE方法,以某盾构隧道为例,研究了斜入射地震波作用下隧道结构的三维地震响应,着重分析了管片接头对隧道衬砌地震变形和内力的影响,并讨论了通过对隧道衬砌整体刚度进行折减（等效均质圆环模型）来考虑管片接头影响的方法的适用性。研究表明,管片接头对隧道地震响应有重要影响,随接头刚度减小隧道衬砌变形呈增大趋势,但衬砌内力显著减小;而且,对于管片接头刚度较大的情况,等效均质圆环模型可以在一定程度上反映管片接头对隧道结构地震响应的影响,但可能导致隧道纵向弯矩的低估。     

软硬相间地基中地铁隧道P波斜入射下的动力响应

以地处软硬相间地基中的地铁隧道为研究对象,采用地震动力仿真模拟方法,建立了能同时考虑多点激励、土-结构动力相互作用的地基-隧道的整体计算模型,系统分析了地震P波斜入射作用下穿越软硬相间地基中地铁隧道的动力响应规律。结果表明:地震波的入射角度对隧道的响应影响较大,传统的考虑地震波垂直入射的输入方法显现出一定的不安全性;软土区宽度的增加导致隧道的动力响应有明显的加强,对结构抗震不利;隧道衬砌混凝土等级的提高将使隧道结构的位移及加速度有所减小,但是弯矩增大明显,因此通过增大衬砌混凝土的等级提高隧道结构的抗震性效果并不好,反而使衬砌结构的受力变大。     

浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

多线叠交地铁隧道施工影响数值分析

针对杭州地铁4号线下穿既有地铁1号线的多线叠交复杂工程,构建三维有限元模型,研究了在不同注浆压力和土体损失率下新建盾构穿越既有线隧道对既有线隧道衬砌的影响。研究成果表明:在施工过程中,随着注浆压力的增大,既有线隧道衬砌位移先减小后增大,隧道内力逐渐减小;随着土体损失率的增加,新建隧道开挖对既有线隧道变形和内力的影响逐渐增大;注浆压力的改变对既有线隧道的影响较土体损失率影响更大。在相似地层多线地铁隧道叠交处施工,建议注浆压力选取0.3 MPa左右。     

横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土——半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明：横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。     

考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答

 基于隧道开挖椭圆化变形模式,针对盾构施工分别考虑气压效应与无气压效应2种工况,提出饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长、短期变形和隧道衬砌内力位移的计算方法。结果表明：椭圆化变形模式下得到的位移曲线与实测值吻合较好,考虑气压效应条件下隧道开挖施工引起的土体变形大于非气压工况,长期影响解大于短期影响解。通过参数调整研究衬砌洞周处位移分布规律时,发现衬砌径向负位移在90°拱顶处达到最大值,在270°拱底处取得最小值,反映了衬砌明显的椭圆化和整体下沉变形趋势,并且随着半径增大以及土体模量减小,椭圆化变形趋势越明显;切向位移值基本以90°/270°隧道中轴线为分界轴,正值取在隧道左半圆,负值取在隧道右半圆,增大半径以及减小土体模量提高了切向位移值的整体水平。通过参数调整研究衬砌内力分布规律时,发现硬土质和大间隙时隧道轴力更容易表现出明显的椭圆化分布趋势,弯矩值随着隧道埋深、隧道半径以及土体重度减小而减小,随着土体侧压力系数k的减小而增大。盾构气压水平的提升,使衬砌轴力受压区范围增幅明显,并使衬砌的正、负弯矩值均增大。分析成果可为正确预估复杂工况下盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性分析

针对南宁地铁4号线盾构隧道近下穿既有南环线铁路隧道工程,采用三维有限元数值计算方法,分析了新建盾构隧道近距离下穿施工对地表和既有隧道结构及轨道的影响。数值计算结果表明,通过对下穿段一定范围内的盾构周边土体进行注浆加固可以有效控制盾构隧道施工对地表和上方铁路隧道的影响,能够将地表沉降、既有隧道衬砌变形及结构安全、轨道变形控制在安全范围内,为工程施工提供重要参考依据。     

隧道支护结构的变形监测及反演分析研究

试图以渝湘高速公路某隧道施工过程的监测资料,通过反演分析算出围岩参数如弹性模量、泊松比等,并计算隧道衬砌内力和变形,对隧道衬砌结构整体稳定性进行分析。     

含沼气地层中气体运移对隧道结构的影响分析

沿海或沿江隧道可能要穿越富含有害气体的地层,给隧道施工安全带来挑战。依托上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG站管道工程的过江隧道,建立了非饱和土固液气耦合数值分析模型,模拟隧道周围气藏的气体汇聚和逸散过程,重点分析气体运移过程对土体变形和隧道结构受力性状的影响。研究表明,气体汇聚过程将导致隧道周围土体抬升,气体逸散过程则导致土体沉降,气体迁移导致隧道衬砌结构的内力也随之变化,经分析确认衬砌结构的弯矩和轴力均未超过设计值,衬砌结构安全。     

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析

 深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。     

隧道设置减震层减震机制研究

 通过Fourier-Bessel函数展开法,推导平面SV波垂直入射下半无限弹性介质中圆形双层衬砌结构、围岩–减震层–衬砌洞室的动应力集中系数级数解,分析入射波频率、减震层弹性模量和厚度对动应力集中系数的影响,并结合数值模拟分析结果对比,深入研究减震层减震机制。研究结果表明：入射频率对衬砌动应力集中系数有显著影响,减震层对低频波具有较好的减震效果;由于减震层剪切模量低,围岩和隧道可以剪切变形,从而减小了作用在衬砌外部的法向作用力,降低了衬砌内侧最大动应力集中系数,但围岩和衬砌外侧切向应力增大;随着减震层与围岩弹性模量之比减小,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层与围岩的弹性模量比宜低于1/10～1/20,和减震层弹性模量对应,存在一个最优的减震层厚度值。以一公路隧道为背景,开展隧道减震层结构大型振动台试验研究,结果表明：隧道衬砌设置减震层后,可以显著降低衬砌内力,减小衬砌裂缝的数量。     

多维地震下考虑地表建筑的土和隧道的振动台试验研究

目前关于地下结构–土体系的地震响应研究多为未考虑竖向地震作用和周围建筑的影响。以隧道–土体系为研究对象,考虑10层地表建筑的影响,进行多维地震波作用下的振动台试验,研究隧道和周围土体的动力响应规律。试验结果表明：隧道和土体在双向地震动输入下的地震响应均大于单向地震动输入的响应。随着地震波输入维数的增加,土体的频谱没有改变。土体和隧道在远场地震波作用下的反应较为强烈,但由于近场地震波具有高能量的速度脉冲,随着输入地震动强度的增大,土体和隧道在两种地震波作用下加速度响应的差异逐渐减小。上部结构–桩基的存在导致隧道中间断面与端部截面处应变的不同,与隧道的端部截面相比,中间断面右侧的应变增大,左侧的应变减小。     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

考虑成层土体的地铁隧道地震动力响应分析

考虑了土体的粘弹性,采用非均质土-结的计算模型,结合动力学理论,分析了结构的本构模型、人工边界条件以及土-结的接触问题,主要探讨了地震作用下地铁隧道的动力响应特征。依托实际工程,在ANSYS中建立数值模型并输入实际材料参数,施加粘弹性人工边界,参考武汉地区抗震设防的要求,垂直入射天津波。通过该模型的模态分析、时程分析表明：结构在地震作用下的响应与衬砌混凝土等级、衬砌厚度有关,并且土体加固后对结构抗震性能有很大影响。最后,对衬砌在地震作用下的安全性进行了分析,为地铁隧道的抗震设计提供了依据。     

大面积加卸载对软土地铁隧道的影响

选择HSS(Hardening Soil Small-Strain Model)本构,建立二维平面应变模型,进行既有软土地铁隧道上地表大面积加卸载情况下土体固结分析。研究结果显示:①大面积加载会增大衬砌结构的变形,并进而导致衬砌结构出现病害;②渗漏水会增大衬砌结构的内力;③回填土应及时卸除;④卸载后土体回弹,但有一部分变形无法得到恢复,回填土厚度越大,无法恢复的沉降越大;⑤在衬砌结构损伤的情况下,水平大直径卸载后无法恢复,最终表现为增长,根据曲线形态将沉降过程分为5个阶段。结合工程实例,对监测数据进行分析,验证上述结论。     

地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

 处于地裂缝活动环境下的盾构隧道,在地裂缝上下盘相对错动下,隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形,此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效,使隧道不能正常运营。基于此,考虑在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构,共同承担外力,以达到减小结构应力和变形的目的。为此,对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析,主要考虑地裂缝上下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬砌受力和变形性状的影响,得出一些具有工程指导意义的结论,计算结果表明：管片内的整体式钢筋混凝土内衬能有效的减小隧道衬砌在地裂缝错动下的内力和变形;衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系;内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响,衬砌越厚,应力和变形越小,但厚度超过300 mm后再增加厚度,效果明显减弱;内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小,实际工程中采用C30混凝土即可。