下穿黄河盾构隧道管片衬砌结构受力特征模型试验

针对兰州地铁穿河段盾构隧道穿越强透水砂卵石地层和承受较高外水压的特点,首先研制了外水压加载装置,该装置在衬砌模型内部创造了一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道-地层复合模拟试验系统开展了几何相似比为1∶10的室内模型加载试验,实现了土压和水压的分别控制加载.研究了水压、土压、土体侧压力系数及拼装方式对管片受力特征的影响.研究结果表明,随着水压的增大,管片轴力明显提高,弯矩略有减小,偏心距则明显降低;随着隧道上覆土压的增大,管片衬砌结构的轴力、弯矩、偏心距均呈增大趋势,但总体上量值变化较小;在水压一定时,覆土厚度的增加对管片弯矩的影响越来越大,而轴力变化速率均比较稳定;正常水压条件下,随着土体侧压力系数的增大,管片衬砌结构的轴力增大,弯矩减小,偏心距减小,随着水压的增大,侧压力系数对于管片结构受力特征的影响越来越小;错缝拼装情况下,管片内力在部分环向及纵向接头处会产生较大突变,且管片内力较通缝拼装情况大.     

输水隧道管片环弯矩调整系数试验与分析

由管片错缝拼装的隧道衬砌圆环中,接头部分的挠曲刚度小于与之邻接的管片的挠曲刚度,接头部分承受的弯矩不同于管片承受的弯矩.目前,考虑接头的影响主要通过弯矩调整系数ξ来实现.但是弯矩调整系数ξ还没有通用公式,一般需要通过足尺试验来确定.由于时间和成本问题,所有隧道工程都做足尺试验不现实,故工程中经常需要借鉴类似工程的经验,这必然带来很大的随意性.以上海市青草沙输水隧道工程为依托,进行输水隧道管片弯矩调整系数的足尺试验,改变作用在管片上的径向力P和轴向力F,得到了弯矩调整系数ξ和弯矩M、轴向力F、一环管片长度L的关系公式,对隧道衬砌设计有一定参考价值.     

隧道初期衬砌支护系统的可靠度分析

针对隧道初期衬砌结构,构建考虑综合安全系数的功能函数,将隧道初期喷射混凝土支护结构作为串联体系,采用区间估计的“宽界限法”对隧道衬砌结构的体系进行分析,在此基础上确定体系的失效模式.将极限位移条件下轴力和弯矩所对应的位移与施工监测中的位移进行对比;考虑材料性能参数、几何尺寸等的随机性影响,分析中采用蒙特卡罗有限元方法,...     

混凝土管片及其接头承载力特性数值模拟分析

为了分析混凝土管片及其接头的力学特性,采用有限元方法数值模拟完整混凝土管片及其接头的承载力特性。混凝土本构关系采用Rush建议的二次抛物线和水平直线组合模型。钢筋采用弹性-理想塑性本构模型。采用杆单元模拟混凝土管片内的纵筋和箍筋以及管片接头处螺栓。研究不同轴力与弯矩组合作用下混凝土管片极限承载力的变化规律,分析正负弯矩作用下混凝土管片接头的承载力特性。研究表明,混凝土管片的极限弯矩随轴力的增大而增加;在最大轴力时与无轴力管片承载力相对比,管片极限弯矩增加70%。通过对管片接头研究发现,管片接头的极限承载力只是管片的40%左右;接头的存在降低了混凝土管片的承载能力,管片接头的极限弯矩大小主要受接头螺栓强度和位置的影响。     

盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征,依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程,采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析,同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试,分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响.研究结果表明:临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化.管片衬砌结构内力受施工参数影响明显,尤其是千斤顶推力和注浆压力.     

盾构隧道变阻滑移锚式接头抗剪性能研究

盾构隧道管片接头是整体衬砌结构的薄弱环节,接缝张开量超限极易导致结构出现不同程度的损伤和破坏。针对盾构隧道环间大变形问题,提出了一种变阻滑移锚式接头,并基于有限元软件ABAQUS,建立了接头?管片三维精细化数值模型,考虑管片厚度、强度、轴力等影响因素对接头?管片结构抗剪性能及破坏机理展开深入研究。结果表明：管片强度对接头?管片结构抗剪刚度及结构损伤影响较小;不同轴力下管片损伤及套杆应力分布情况不一致,随着轴力的逐渐增加,摩擦力增大后会分担一部分剪力,造成管片损伤相应减小,而套杆损伤程度相对增加;管片较薄时难以充分发挥接头力学性能,甚至会在管片内侧表面出现裂缝进而影响衬砌结构安全。该研究成果可为新型接头的设计与加工提供技术参考。     

盾构隧道双层衬砌结构弯矩分配的解析模型

考虑盾构隧道双层衬砌结构中二次衬砌的结构性功能,研究盾构隧道双层衬砌结构弯矩分配特性,推导了弯矩分配比例的解析表达式。并采用有限元方法数值模拟了盾构隧道双层衬砌结构3个典型的例子,将解析解与有限元数值模拟结果相比较,验证了所推导解析解的正确性。研究表明,二次衬砌混凝土的所分担总弯矩与初次衬砌管片所分担总弯矩的比,近似等于各自截面惯性矩的比。在常规设计的双层衬砌厚度条件下(管片厚度h_1=0.5m,二次衬砌混凝土厚度h_2=0.2m),初次衬砌管片所分担总弯矩94%以上,而二次衬砌混凝土所分担总的弯矩仅仅占6%以下,二次衬砌对结构的承载能力贡献较小。     

蠕变作用下埋深对结构受荷特征影响分析——以广佛环线东环隧道工程为例

为研究在围岩蠕变作用下不同埋深软岩盾构隧道管片结构的受荷特性,以广佛环线东环隧道工程为背景,利用FLAC~(3D)(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)有限差分软件建立了数值分析模型,采用改进的黏弹塑性蠕变本构(burgers-creep viscoplastic model, CVISC),分析了埋深对管片的位移、内力及与围岩的接触压力影响。结果表明:隧道初期开挖之后,顶部围岩沉降,底部发生隆起,考虑围岩蠕变效应后,管片衬砌发生整体沉降,隧道埋深越大,管片体整体沉降越发显著;随隧道埋深的增大,弯矩、轴力与接触压力均逐渐增大。围岩未考虑加速蠕变下,蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同,有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。     

高地温隧道衬砌结构设计探讨及施工技术

现场测试结果显示,拉林铁路桑珠岭隧道地温最高达86.7℃,高地温对衬砌结构的力学特性和耐久性的影响不容忽视.依托拉林铁路桑珠岭隧道工程,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,研究了温度和隔热层对衬砌受力特性的影响,并对桑珠岭隧道高地温段施工技术进行介绍.研究结果表明:不考虑温度影响时,隧道支护结构衬砌内力偏小,衬砌安全系数偏大;隔热层的设置改善了衬砌结构的受力,二次衬砌轴力和弯矩显著减小,但其分布特征相似;工程现场所采取的超前地质预报、爆破控制和环境温度控制是确保高地温隧道施工安全的有效措施,确保了桑珠岭隧道准时开通.     

盾构隧道壁后空洞注浆对管片受力特性的影响

为研究盾构隧道壁后空洞注浆浆液的扩散机理及其对管片受力的影响规律,基于修正达西定律对黏性土中浆液的扩散半径和管片产生的压力计算公式进行了推导,并以西安地铁某区间隧道涌水事故为依托,利用推导的注浆压力公式,采用地层-结构模型得到了管片壁后空洞注浆部位及注浆压力对管片受力的影响规律。结果表明:同一注浆位置,当注浆压力不断降低时,管片的轴力值、弯矩值以及管片上浮呈不断降低的趋势;除了控制截面有稍微旋转之外,设计工况下的管片轴力值、弯矩值与模拟过程中注浆压力为0.3 MPa时的情况相近,注浆压力超过0.9MPa时,结构产生明显的偏压,甚至出现管片裂缝以及结构破损;不同注浆部位施加相同注浆压力时,当注浆位置为隧道顶部和底部时,管片的力学形态发生了较大的变化,特别是弯矩值,增加幅度可达1.5~2倍,隧道侧面注浆使弯矩分布发生一定程度的旋转,甚至反转。