软土地区侧压损失对盾构隧道受力及变形的影响

针对软土地区地铁沿线工程活动导致盾构隧道收敛变形增大的问题,采用1:10相似模型试验和精细化3D有限元模拟相结合的方法,研究了侧向压力损失对盾构隧道结构处于弹性阶段与塑性阶段的受力及变形的影响规律。研究结果表明:当侧向压力损失较小时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈线性关系,盾构隧道结构处于弹性阶段;当侧向压力损失增大时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈指数型关系,盾构隧道结构进入塑性阶段;增大管片厚度能有效提升管片的抗变形能力,但抗变形能力会随厚度增大而趋于平缓;从混凝土结构偏心受力的角度分析,盾隧道管片厚度增大会导致结构从小偏心受压向大偏心受压转变,但从结构应力/应变的角度分析,管片的最大应变值减小,从而使盾构隧道结构处于更安全的受力状态。     

大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究

大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法研究

为探明隧道盾构注浆荷载作用引起带榫管片水平轴线偏移规律，以小曲率半径盾构隧道为例，分析壁后注浆引起管片上浮的诱因，考虑管片环“椭圆化”变形、纵向连接螺栓预应力、环缝影响范围和横向刚度等综合因素的影响，建立榫杆连接条件下带榫环缝的管片单元纵向等效抗弯刚度有效率计算式，并通过计算盾构注浆荷载作用下带榫管片的静态和动态上浮力，构建盾构注浆荷载作用下带榫管片上浮力计算表达式，由此分析小曲率半径隧道盾构注浆荷载作用下带榫管片受力情况及其在文克尔弹性地基梁假定条件下受上浮力作用的挠曲变形规律，建立盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法，并依托实际工程加以验证。结果表明：该文理论值与模拟值和监测值均拟合良好，该文计算方法具有良好的工程适用性，可为盾构隧道工程及其类似工程中注浆荷载作用下管片偏移及错台问题提供有效的理论指导。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

盾构隧道新型分布榫式管片结构的局部原型试验研究

大直径盾构隧道在穿越复杂地层或水下环境时,环间常设置加强措施以控制环间错动与张开变形.为探明环间设置分布式凹凸榫的新型分布榫式管片结构力学特性与破坏机理,针对佛莞城际狮子洋隧道所采用的环间分布四榫式原型管片,开展了考虑相邻环错缝拼装组合的局部原型试验,详述了结构变形、环缝错台、接缝张开的变化规律与特征,对裂缝发展规律与...     

基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立

管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型（简称恒定模型）进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。     

盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

基坑上跨开挖诱发既有盾构隧道隆起变形研究EI北大核心CSCD

基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形,危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法,通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁,忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足,提出带环间接头的盾构隧道计算模型,通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征,通过两阶段分析法,推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载;建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据,并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比,验证所提方法的适用性。     

双连拱隧道施工中衬砌开裂与力学行为研究进展

双连拱隧道因其较高的空间利用率而在工程中被广泛应用,然而在后行洞施工过程中先行洞衬砌常发生开裂。为研究此过程中衬砌的开裂及力学行为,该文提出了将分布式光纤监测、反演分析方法及可反映混凝土开裂行为的有限元模拟相结合的研究方法,在广泛调研国内外文献的基础上,梳理总结了该课题组研究相关成果,包括：依托于实际工程,实现了分布式光纤监测在连拱隧道施工中的应用;提出了精度更高的衬砌结构力学行为反演分析方法;验证了利用总应变旋转裂缝本构模型反映复杂受力及约束下的钢筋混凝土构件力学性能和开裂模式的可行性。该文的研究方法与结论可为有关工程实践提供参考。     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法EI北大核心CSCD

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。     

近距离下穿既有盾构隧道的隧道钻爆降振技术研究

以广深港客运专线益田路隧道为工程背景,对爆破作用下既有盾构隧道管片的振动响应进行研究。结合应力波理论计算了盾构隧道管片的爆破振动速度安全允许值,并利用现场数据进行验证;结合既有隧道的现场监测数据,分析了管片的振动速度变化规律,提出了减振措施和优化爆破方案,确保既有盾构隧道的运营安全。结果表明:爆破施工过程中,既有隧道衬砌管片最大振速达到7.19 cm/s,小于计算的9 cm/s安全允许振动速度,管片接缝无损伤,计算的衬砌管片安全允许振动速度可为类似工程提供参考;钻爆法近距离下穿既有盾构隧道时,采用电子雷管起爆技术,并结合适当的减振措施,可以有效降低既有隧道衬砌管片的爆破振动速度,确保结构安全稳定。     

大型结构应变场光纤分布监测系统

研究了一种用于大型工程结构应变、变形状态监测的基于光时域反射技术的分布式光纤应变传感系统。设计了一种新型的光纤微弯传感器结构,用于对沿传感光纤分布各测量点的应变信息进行提取;在此新结构的基础上,了全光纤型应变传感器串行阵列,以对构件应变测量和安全监测为主要目标,建立了起了分布光纤应变实时监测系统,进行了系统实验了得到了良好的结构。     

开挖对地铁盾构隧道影响及控制措施

地铁盾构隧道有严格的变形控制要求。随着地铁网络的密集,邻近开挖已成为地铁隧道安全运营的重要隐患。该文首先介绍了深开挖工程数值模拟中常用的本构模型及参数获取方法。研究了地铁隧道侧面和上方深开挖情况下隧道变形和内力变化规律。提出了侧面开挖和上方开挖隧道变形控制措施。介绍了邻近开挖过程中隧道变形和内力的监测手段。最后,针对盾构隧道发生过大变形导致开裂渗漏水等情况,介绍了隧道结构的加固措施及其效果。     

差异变形下地铁盾构隧道结构动力响应研究

地基沉降、临近施工扰动导致的工后差异变形广泛存在于我国已建地铁盾构区间隧道中,对服役期内隧道结构性能造成不利影响。基于赫兹非线弹性接触理论模拟轮轨接触关系,考虑车辆、轨道、隧道、围岩的空间结构特征和相互接触关系,建立了车-轨-隧-围岩一体化计算模型,计算了基坑开挖致使盾构隧道隆起变形后列车运行引起的结构动力响应。结果表明:隧道隆起变形加剧了轨道结构和隧道结构的动力响应,基坑边缘和中心位置处的衬砌环接头混凝土动应力变化较为剧烈,衬砌拱顶、拱底处的纵向接头螺栓剪力受影响较大,而拱腰处的环向螺栓内力变化幅度显著。     

联络道爆破施工对临近盾构隧道的影响分析

针对盾构隧道间联络道爆破开挖影响隧道稳定性的问题,通过数值模拟建立联络道与隧道管片的数值模型,以联络道掌子面与隧道间不同距离L作为研究工况,获取不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响。通过模拟可知,当联络道掌子面与管片距离L为0时,盾构隧道管片是极不稳定的。以盾构隧道管片连接螺栓的屈服强度作为临界值,通过建立螺栓应力与距离L的关系,得到当L不小于1.43 m时,螺栓所受到的应力不大于其屈服强度,而分析管片间相对位移与L的关系,得到管片间的最大相对位移为2.88 mm。由此可知此时盾构隧道管片是安全的。通过对隧道爆破振动进行监测,得到了当安全距离为1.43 m时爆心距为3 m的监测点的最大振速为37.09 m/s,此数据虽然超过了爆破安全规定,但螺栓强度和管片位移都符合安全规程要求,施工质量可以得到保证,隧道仍然安全稳定。     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。     

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析

针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土（UHPC）材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。