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。     

盾构隧道衬砌的设计方法分析

针对盾构隧道衬砌管片的内力及变形受多种因素影响的情况,结合工程实例,从衬砌管片方面分析了衬砌的内力及变形,得出衬砌管片的内力及变形随其自身因素变化的一些规律,以供设计人员参考。     

双圆盾构隧道衬砌结构设计及参数研究

评价了盾构隧道衬砌结构设计模型及其发展现状,指出不同计算模型的特点和适用范围,通过上海地铁M8线实际工程对不同计算模型进行了分析和对比,重点讨论了双圆DOT(Double-O-Tube)盾构隧道结构计算中各种设计参数对计算结果的敏感性。研究结果表明,双圆盾构隧道结构计算中,目前常用的几种计算模型(修正惯用法、梁-弹簧模型等)都能满足工程设计的具体要求,关键在于计算参数选择的合理性和匹配性。不同的设计参数对结构计算结果的影响程度各不相同,对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略,否则计算结果将偏不安全。     

Present status and technology of shield tunneling method in Japan

Recently in Japan, it has often been necessary to construct tunnels under more severe conditions and to develop new techniques. However, present design techniques cannot appropriately reflect the construction techniques; and thus, traditional methods are still often used. On account of the well-balanced progress between construction and design in the shield tunneling method, an innovation of the design technique is required. This paper shows an outline of the shield tunnel technique at present, behavior of shield tunnels in-site, and improvements required for design.     

盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究

本文围绕盾构衬砌管片的设计模型与压力荷载分布问题 ,首先概述了一种新的设计模型---梁 -接头不连续模型 ,在此基础上 ,利用管片内力的现场实测值 (如轴向力和弯矩 ) ,来反演确定作用在衬砌结构上的压力荷载的分布模式与大小 ,同时 ,运用反演分析技术对局部和全周地层弹簧作用模型进行了比较。     

Deformation and mechanical characteristics of tunnel lining in tunnel intersection between subway station tunnel and construction tunnel

Deformations and stress distributions in tunnel intersection areas are more complicated than those in common tunnels. The literature on deformations and stress distributions in tunnel intersections, in which the intersecting tunnel is in a different section, is limited. The Shangxinjie subway station in Chongqing, China, was selected to investigate the deformation, stress and plastic zone responses of a tunnel intersection using numerical simulations. Based on the numerical results, the scopes of influence with respect to the deformation, stresses and possible failure modes of the tunnel lining were further studied. The numerical results show that the deformation in a section close to the tunnel intersection was larger than the deformations in distant sections. Compared with the common section, the crown settlement reached the maximum value at the tunnel intersection, and the maximum rate of increase was approximately 28%. The range of the plastic zone at the tunnel intersection was much larger than that in the other areas, and it was mainly located in the side wall and tunnel crown. In the longitudinal direction, the lengths of the scopes of influence were 2.4 B and 1.6 B with respect to the deformation and stress, respectively. The magnitudes of the internal forces in the longitudinal and circumferential directions were almost equal. The bending moments of the tunnel lining within 135° and 225° significantly changed, but the axial force decreased dramatically. Tensile and compressive failures may occur at the tunnel intersection and in a section 5 m away. Locally thickening the supporting structures is suggested to improve the stability of the tunnel.     

沈阳地铁一号线某段盾构衬砌变形有限元分析

指出沈阳地铁一号线应用了盾构开挖的方式,提高了工程质量,应用有限元数值模拟,分析了该工程三标段某段工程的盾构衬砌变形,得出了衬砌变形的规律,以期为隧道衬砌施工奠定基础。     

盾构法隧道施工数值模拟

盾构法隧道施工在城市地下工程建设中有着广泛的应用前景。分别采用可以考虑土体小应变特性的本构模型与修正剑桥模型对盾构隧道施工进行了数值分析。这两种模型的计算结果的规律性是相似的;采用修正剑桥模型计算的沉降量、开挖影响范围受盾构施工质量的影响不大;采用土体小应变本构模型计算结果对盾构施工质量很敏感。盾构开挖过程中土体的有代表性的应力路径大都在修正剑桥模型屈服面之内,判断为卸载,即使有部分加载路径,根据剑桥模型计算的变形也不大,小应变本构模型合理地定义了加卸载,可以反映土体小应变时的高刚度,随应变增大土体刚度的迅速减小过程,因而较好地反映了施工质量对地表沉降的影响。分析表明小应变本构模型计算结果是合理的,也证明了考虑土体小应变特性的必要性。     

Simplified nonlinear simulation of shield tunnel lining reinforced by epoxy bonded steel plates

A high-efficiency simplified modeling approach based on fiber-beam elements and discrete elements is proposed for investigating the nonlinear response of shield tunnel reinforced concrete linings. The proposed approach focus on following main features: modeling simplicity and computational efficiency, the considerations of critical material and geometric nonlinearity associated with the entire loading process, including the stage of reinforcing the deformed concrete lining by steel plates. Comparison between the analysis results of the proposed numerical model and the experimental results from the full-scale structural test are presented to validate the developed model. The results show that the proposed model can capture the essential characteristics of the nonlinear load–deformation response of segmental tunnel lining. The modeling approach presents a balance between simplicity and accuracy, and serves as a viable alternative to detailed finite elements analysis.     

盾构隧道纵向计算模型及其问题分析

针对盾构隧道纵向性能问题,将已有盾构隧道纵向结构计算模型进行了归纳,分析了各种模型的优缺点及其适用性,对纵向等效连续化模型中平截面假定的适用性问题和纵向螺栓的环向平均化问题进行了探讨。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

双圆盾构隧道衬砌结构受力解析

应用不均衡力矩及侧力、竖力传播法推导了双圆DOT盾构隧道衬砌内力的解析解。结合具体工程实例计算,与同一工况下的数值模拟和现场试验实测数据进行了对比分析。结果表明:解析解的计算结果稍微偏大,数值解最小,而实测值基本是介于二者之间,但三者所反映的内力变化规律基本上是一致的,验证了所推导的解析解的合理性和可靠性。此外,基于解析解分析了双圆盾构隧道衬砌结构计算中各种设计参数对计算结果的敏感性,研究表明:对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略;并建议将侧向土体抗力系数取为2500～6500 kN/m3,以充分发挥地层的被动抗力作用;在考虑结构受力和合理利用、优化结构断面的基础上,张开角应在30°⁶0°取值。     

武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。     

大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究

通过对盾构隧道横向刚度有效率的影响因素进行分析,提出了针对大断面水下盾构隧道横向刚度有效率的原型试验求解方法,进而对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构开展原型试验,得出两座隧道管片结构 和 随荷载条件变化的规律。结果表明,在同等荷载条件下,断面越大, 越小,对应 越大,错缝结构的 大于通缝结构。正弯区与负弯区的 不同,对于不同的管片结构型式, 与 的对应关系不同。同时,针对两座隧道不同结构形式给出了 , 的关系曲线,并提出了 10 m 级和 15 m 级水下盾构隧道通缝与错缝条件下 与 的建议值。     

盾构隧道衬砌环轴线偏差计算方法研究

软土地区快速轨道交通盾构隧道具有线路控制更加严格，施工质量及线路精度控制难度更大等特点。为快速准确地计算盾构隧道衬砌环的轴线偏差，首先，基于一般形式的地铁线路线形，以隧道里程为纽带，对隧道设计轴线的三维坐标进行了解算；其次，采用二分法，通过不断迭代给出衬砌环偏差计算点对应隧道设计轴线的理论位置，进而提出衬砌环平面和高程偏差的计算方法；最后，结合天津市滨海新区轨道交通Z2线线路资料，给出衬砌环偏差计算的过程及结果。     

基于FDEM的隧道衬砌裂缝开裂过程数值分析

采用杂交有限元–离散元法(FDEM),与日本等比尺浅埋隧道衬砌试验结果进行了对比分析。数值模型较好地再现了试验中衬砌结构性裂缝的初裂、增扩直至破坏的全过程。其次,建立荷载结构模型,针对影响衬砌开裂的3个主要荷载因素,即局部偏压、背后空洞和拱顶松弛地压,分别研究了这些压力不同作用位置、作用范围、作用大小下的裂缝扩展过程、分布规律。为用非连续方法研究衬砌裂缝开裂过程提供了借鉴,同时也为隧道衬砌裂缝病害的防治与加固修复打下了基础。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

公路隧道衬砌断面型式模型试验研究

通过室内模型试验,研究了在满足建筑限界、通风等约束条件下3种公路隧道衬砌断面型式(单心圆、尖三心圆、坦三心圆)在不同初始应力场作用下的受力性状。分析了初始应力场及断面型式对衬砌结构受力的影响。经综合比较,给出了较为合理的公路隧道衬砌断面型式。研究结论为今后合理地设计隧道衬砌结构提供了可靠的试验依据。     

盾构在矿山法隧道中推进监测分析

以某地铁盾构在先期施工的矿山法隧道中推进为背景,对盾构空推施工时管片的受力变化过程进行了详细的监测和分析,对盾构施工过程中管片受到周围土体的压力变化和管片钢筋内力变化规律进行了总结,管片受到的土压力随时间变化分为两个明显阶段,土压力沿环向分布极不均匀,整体土压力值不高;壁后压浆后,隧道底部管片的钢筋轴力不断增大,但隧道顶部管片钢筋轴力变化不明显。