盾构隧道纵向等效抗扭刚度与抗扭性能研究

盾构隧道因具有拼接特性,在非对称外荷载作用下易产生纵向不均匀扭转。过量的不均匀扭转将导致管片和螺栓产生较大应力和变形,并发生环缝错位和轨道倾斜,严重影响隧道安全,但目前工程界对隧道扭转问题的认识和关注仍不足。为研究盾构隧道纵向抗扭性能,首先,基于等效连续化模型和力平衡方程,推导不同受力组合状态下的盾构隧道纵向等效抗扭刚度计算方法;其次,将抗扭刚度的解析解与有限元模拟结果进行对比,验证提出的抗扭刚度解析方法的有效性。最后,分析管片厚径比、宽径比、螺栓剪切长度以及隧道纵向轴力和弯矩等对抗扭刚度的影响,并给出隧道自抗扭临界荷载(N0,M0)包络图。研究结果表明：隧道纵向抗扭刚度有效率随着管片厚度与直径之比增大而减小,而随着管片环宽与直径之比增大而增大;盾构隧道纵向抗扭刚度有效率随着螺栓的等效剪切长度增大而减小;螺栓等效剪切长度仅影响环缝的扭转变形,而对接缝中性轴、扭转中心位置等没有影响;盾构隧道纵向抗扭刚度有效率随着压扭比或弯扭比增大而增大。设计中控制合理的压扭比与弯扭比对隧道抗扭十分重要。建议将螺栓增大预紧力或采用预应力管片结构视为提升盾构隧道抗扭性能的有效措施。     

新旧钢筋混凝土梁横向拼接的收缩徐变效应分析

为了研究旧桥横向拓宽时混凝土梁的收缩徐变效应,采用错位法对新、旧梁横向拼接后收缩徐变产生的应力重分布进行了分析,在不考虑重力情况下推导了拼接后新、旧梁横截面上的纵向应力及拼接处的纵向剪应力计算公式.以空心板梁为例,分析了由收缩徐变效应引起的新、旧梁上的纵向应力,比较了不同配筋率对板中纵向应力的影响.分析结果表明,新梁中的纵向拉应力可能会引起新梁横向开裂,纵向配筋率对混凝土梁的受力影响较大,而新旧梁拼接处的剪应力则较小.     

横向电光效应中相位延迟的补偿方法

分析了光波以不同方向入射于磷酸二氢钾(KDP)晶体时产生的两种电光效应,对γ63纵向和横向电光效应进行比较.针对KDP晶体横向调制时会受到自然折射率的影响,提出了两种相位延迟的补偿方法.     

砂性地层中盾构隧道掘进围岩变形特性

以狮子洋隧道砂性地层段地质条件和施工资料为基础,建立有限差分数值计算模型.通过比较不同断面监测点随开挖进程的位移值,结果表明:先掘隧道围岩向中心收缩,上下部围岩变形明显大于两侧;后掘隧道对先掘隧道有横向外挤的作用,但对纵向几乎没有影响.对有、无渗流作用的2种工况的比较分析说明,起初渗流对围岩变形影响不大,但最终加剧了围岩的变形程度.提出了开挖面前方土体扰动的累积效应和累积效应曲线的确定方法,通过该曲线可确定土体扰动范围和程度,经过理论分析,认为影响土体位移速率的2个因素是土体与开挖面间距和盾构推力.     

地铁盾构施工过程中变形与结构失效机制研究

随着越来越多的地铁盾构隧道的建设和运营,地铁盾构施工过程中的变形和结构失效引起了更多的关注.首先介绍了盾构结构的管片结构以及接头构造,其次,分别讨论了隧道运营过程中产生的不同横向变形和纵向变形并推导出了相关变形公式;最后,根据其横向变形以及纵向变形对隧道产生影响,分别阐述了由变形造成的管片缝隙张开失效、接头处螺栓受拉受剪失效、隧道由于人工原因漏水失效等情况.     

钢-混凝土组合梁纵向抗剪非线性分析

在钢-混凝土组合梁中,栓钉传递的剪力作用在混凝土板上,当横向钢筋配筋率低于一定值时,混凝土板会发生纵向剪切破坏,从而会导致组合梁的极限承载力降低,不能充分发挥组合梁的优势.采用了ANSYS软件对组合梁进行了非线性有限元分析,并结合试验结果探讨了横向钢筋对组合梁极限受弯承载力的影响,同时对组合梁的挠度及滑移进行了分析.计算结果表明,为保证组合梁混凝土板不发生纵向抗剪破坏,横向钢筋配筋率应不小于0.6%,利用给出的模型可反映出栓钉对混凝土板的作用.     

高速铁路隧道围岩纵向变形曲线研究

隧道开挖过程中开挖面具有空间约束效应,纵向变形曲线(LDP)是这一空间效应的直观反映.目前,采用数值拟合方法进行LDP的研究主要集中于拟合形式、影响因素等方面,且大多是基于圆形隧道展开,并未考虑断面形式造成的影响.为此,本文总结具有代表性的纵向变形曲线公式,对其适用范围及特点进行比较,研究VD公式在高速铁路隧道下的适用性.结果表明:利用高铁隧道断面进行数值计算时,隧道半径建议采用等效半径;最大塑性区半径建议统一采用拱顶位置塑性区半径;采用与圆形隧道下相同形式的公式可以取得良好的拟合效果,具体表现为隧道前方LDP公式一致,掌子面处变形释放系数公式和隧道后方LDP公式拟合参数不同但差别不大.     

钢桁腹式混凝土组合箱梁的挠度计算

为了研究钢桁腹式混凝土组合箱梁的挠度计算方法和影响其挠度变化的因素,将钢桁腹杆换算为具有等效厚度的换算钢腹板,对悬臂板纵向位移函数进行修正,再利用变分法原理推导综合考虑腹杆剪切变形和剪力滞效应的挠度计算公式.运用有限元软件ANSYS建立组合箱梁的有限元模型,对有限元数值计算值和理论计算值进行比较分析,并在此基础上研究高跨比和腹杆水平倾角对组合箱梁由腹杆剪切变形和剪力滞效应产生的附加挠度的影响.研究结果表明:对组合箱梁悬臂板纵向位移函数进行修正可提高挠度计算精度;对于处于合理高跨比的组合箱梁而言,其腹杆的剪切变形和剪力滞效应产生的附加挠度不可忽略;组合箱梁腹杆水平倾角仅会对腹杆剪切变形引起的附加挠度产生影响.     

钢-混凝土组合沉管结构抗剪机理

以深圳至中山跨海通道沉管隧道设计方案为研究背景,建立沉管节段的精细化非线性有限元模型,进行四点反弯矩剪切试验仿真模拟.结果表明,在隧道横向,横隔钢板和混凝土分别承担斜向拉力和斜向压力,两者形成主要的受力体系;在隧道纵向,混凝土内未发现明显的横向应力分布变化;角钢连接件主要承担格室面板与混凝土间的剪力传递,拉拔作用不明显;在结构弹性状态下,各连接件抗剪刚度相近、剪力分布均匀;连接件附近混凝土开裂后逐步退出工作,但并不影响结构继续承载;剪切破坏过程表现为结构依次发生混凝土弯剪开裂、连接件处混凝土开裂、横隔钢板屈服,最终因混凝土剪切斜裂缝贯通达到结构极限承载力.     

考虑地层变异性的新建隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法

沿盾构隧道纵向的地层变异不可避免,现有对于新建隧道引起既有盾构隧道纵向变形计算的解析模型大多将隧道下卧土体视为均质地基,忽略了地层变异性。本文针对新建隧道施工引发的既有盾构隧道纵向变形问题,构建考虑地层变异性的盾构隧道纵向力学解析模型,基于随机场理论,结合蒙特卡罗模拟策略提出隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法。依托1个工程案例,基于所建立的盾构隧道纵向变形随机分析方法,开展新建隧道下穿施工影响下既有盾构隧道纵向变形随机分析,并与实测结果进行对比。最后,分析地层刚度变异系数和水平波动距离对既有盾构隧道纵向变形的影响规律。研究结果表明：地层变异性对盾构隧道纵向变形的影响不可忽略;地层刚度变异系数对既有隧道纵向位移均值和离散程度影响较敏感,地层刚度变异系数对可靠度指标的影响较显著。     

越江盾构隧道纵向变形曲率与管环渗漏的关系

分析了三次样条插值法在越江隧道纵向变形曲线拟合中的适用性与计算方法,应用三次样条插值对越江盾构隧道纵向变形曲线进行了拟合,并通过曲线拟合方程计算了隧道全长纵向的变形曲率.应用越江隧道纵向结构分析模型计算了隧道不同纵向变形临界状态下的纵向变形曲率与环缝张开量的关系,并通过与越江隧道渗漏现场检测结果的分析对比,对越江隧道纵向变形曲率与管环渗漏间的相关性进行了评价.研究表明:与地铁隧道相比,越江隧道曲率半径的限值要求可适当放宽.越江隧道纵向变形曲率半径小于2 407.1m、环缝张开量大于3 mm时,隧道发生渗漏的概率较大.越江隧道纵向变形曲率半径小于1 256.8 m、环缝张开量大于6mm时,环缝密封止水措施失效,隧道可能会出现较严重的渗水漏泥现象.     

新建盾构隧道下穿既有隧道剪切错台变形计算

采用剪切错台模型,研究新建盾构隧道正交下穿对上方既有地铁盾构隧道的影响.考虑新建隧道下穿时刀盘附加推力、盾壳摩擦力以及注浆附加压力在既有隧道轴线处产生的附加应力,将既有地铁盾构隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理并采用合理的位移试函数,建立计算方程来求解既有隧道的竖向位移值、盾构环之间的错台量、环间剪切力值以及这三者随着新建隧道掘进的三维变化过程.研究结果表明:用剪切错台模型和最小势能原理计算得到的既有盾构隧道竖向位移值与实测值较为吻合;既有盾构隧道竖向位移最大值处的隧道错台量接近0,在竖向位移曲线的反弯点处隧道错台量和环间剪切力值最大;随着新建隧道的掘进,既有隧道的竖向位移、错台量和环间剪力值不断增大,最后趋于稳定.     

盾构近距穿越桥梁施工对地表及桥梁桩基的影响

结合某地铁区间隧道盾构施工近距穿越桥梁桩基的复杂条件,选取桥台与桥墩基础影响最大断面,对盾构施工引起地表沉降及桥梁桩基的变形、应力及内力进行三维数值模拟计算。结果表明:①双线隧道盾构推进引起地表最大沉降位于双线隧道中间某处,大于单线隧道引起的地表最大沉降,地表沉降随着两条隧道间距的减小而增加;②右线隧道盾构施工引起B0C0桥台桩基近隧道边桩产生的最大变形与内力均发生在距桩顶13 m处,最大横向挠曲变形、纵向挠曲变形分别为2. 0、4. 8 cm,边桩内力致使桥台桩基超出承载能力,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,严重影响桩基的安全;③双线隧道盾构施工引起B7C7桥墩桩基近隧道边桩桩顶处产生最大位移,最大横向水平位移、纵向水平位移分别为2. 6、5. 2 cm,右侧桥墩桩基承台产生的最大横向水平位移、竖向位移、纵向水平位移分别为3. 2、3. 4、4. 6 cm,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,倾斜值为0. 001 8,接近规范规定的允许值,盾构施工时须引起注意。基于上述分析结果,提出盾构近距推进时的施工监测及施工参数调整的建议。     

注浆作用下渗漏水对隧道和地层沉降影响

基于衬砌-注浆层-土层相对渗透系数,提出了能够综合反映注浆体和隧道衬砌共同作用的相对渗透系数.通过数值模拟,建立了该系数与隧道渗漏引起的衬砌受力、变形和地层位移之间的关系.在此基础上,建立了能够考虑注浆影响的评价方法,该方法能够基于隧道完全渗水和完全不渗水两种极端条件预测隧道有限渗水对地层和隧道结构的影响.     

盾构隧道围岩与衬砌协同作用纵向位移计算法

盾构机掘进过程中,千斤顶顶进力的不均匀引起的纵向位移是管片间初始错台的主要原因之一;基于Timoshenko梁理论的隧道纵向位移计算方法,未能考虑隧道开挖后围岩卸载破坏的变形特征及围岩与衬砌结构的协同作用效应,预测误差较大。建立了考虑围岩卸载扩容效应的等效地基抗力系数计算方法,提出了能考虑螺栓个数的等效抗剪刚度计算公式,建立一种基于Timoshenko梁理论的改进管片拼装式隧道纵向位移理论计算方法。实际工程案例分析表明：考虑围岩开挖卸载过程中围岩的非线性体积相关塑性变形（即扩容效应）更合理;考虑壁后注浆液固化过程的时效性,采用改进的滑移边界条件计算的纵向位移最大值是传统的固定端边界的计算值的2.3倍,边界条件对计算结果影响较大,本文计算方法更符合实际情况,也更安全。     

类矩形盾构下穿施工引起邻近隧道变形研究

基于镜像法和Mindlin解,考虑土体损失、刀盘推力、盾壳摩擦力和注浆压力的影响,推导出类矩形盾构隧道施工在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式,将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,结合最小势能原理推导出既有隧道竖向位移计算公式。依据工程实例构建数值计算模型,对比本文计算结果和数值模拟结果,验证本文计算方法的适用性。研究结果表明：本文计算方法的结果与数值模拟结果吻合程度高,验证了本文计算方法的正确性;随着类矩形盾构隧道掘进,邻近隧道的纵向位移、环间剪切量和剪切力不断增大,在盾构机通过邻近隧道轴线20 m后趋于稳定;邻近隧道沉降变形最大处的环间剪切量和剪切力最小,沉降变形曲线反弯点处的环间剪切量和剪切力最大。     

火灾时隧道截面形状对临界风速和烟气分布影响的数值研究

模拟分析了某地铁实际工程中三种区间隧道断面(单线盾构圆形断面、单跨矩形断面和双跨矩形断面)对临界风速的影响,结果表明单线盾构圆形隧道的临界风速最大,双跨矩形隧道对应的临界风速最小.拟合得出了纵向通风速度和逆流层长度的变化关系式,计算得出了10 MW火灾强度下三种隧道的临界风速,并在临界风速条件下对三种截面形状隧道对烟气的温度和浓度分布的影响进行了模拟分析,验证了拟合得出的通风速度和逆流层长度变化关系式的准确性,为地铁区间隧道火灾烟气扩散控制和通风系统设计提供了一定的参考依据.     

姿态偏转引起的复合地层双模盾构卡机事故

双模盾构在复合地层中掘进时,刀具损耗及异常磨损的频率提升,盾构掘进姿态难以控制。最终导致隧道开挖直径减小,引发卡机事故。为了分析盾构姿态偏转及扩挖间隙纵向非均匀分布对盾壳受力特征的影响,本文依托深圳地铁13号线白应区间,利用FLAC3D计算了盾构在掘进时所受的围岩压力,研究结果表明：(1)卡机断面处边滚刀发生了严重的磨损和偏磨,最大磨损量为25 mm。复合地层中掘进参数出现明显波动,盾构更易发生向上的偏转;(2)上软下硬复合地层中,盾壳上部所受的围岩压力较大,地层交界位置出现应力集中现象。盾构姿态偏转时,盾壳前端应力的增长相较盾尾更为显著。盾构向一侧偏转时,相应位置盾壳承受的法向应力增加;(3)盾构姿态向上偏转相较于向下偏转更易引起卡机事故。当偏转角大于±0.5°时,盾壳所受摩阻力迅速增加,在盾构掘进时应尽可能保证盾构处于水平,或小角度下倾姿态。     

大断面深埋高水压盾构隧道实测内力反算与分析

结合南京地铁3号线大直径盾构隧道工程,对隧道管片钢筋应变进行了现场测试,基于既有的管片内力反算方法,考虑混凝土非线性性质及管片接头,提出了适用于深埋高水压盾构隧道的内力改进算法,并对改进算法反算内力与结构设计计算内力进行了对比分析.结果表明:改进算法更能反映管片的实际受力状态,更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道;采用设计方法计算的深埋高水压盾构隧道管片及接头内力与改进算法反算内力的分布规律基本一致,但在量值上具有一定的差异;采用设计方法计算的管片及接头轴力为改进算法反算轴力的1/2左右,反算的管片弯矩在拱底位置与惯用法计算弯矩接近,在拱腰及拱顶位置与梁-弹簧法更为接近,反算的接头弯矩大于梁-弹簧模型计算接头弯矩.研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考.