盾构隧洞多层复合衬砌力学特性及其影响因素

为了探索高内水压作用下盾构隧洞多层复合衬砌力学特征,文章以广州西江引水工程盾构隧洞为工程实例,分析多层复合衬砌承载及相互作用机制,建立复合衬砌盾构施工精细的计算模型,揭示复合衬砌力学特性及其影响因素,并以此为基础,评价复合衬砌防渗效果。研究表明:该实例多层复合衬砌可采用以压剪为主、局部抗压的相互作用模型;外管片在手孔处应力集中,局部出现了微裂缝,其他区域应力水平较低,复合衬砌能满足承载要求;外管片在内水压作用下接头张开,最大张开量小于接头极限变形值与张开量控制值,管片接头不会出现外水内渗;内衬自密实混凝土最大拉应变小于极限拉应变,也未形成贯通的塑性区,混凝土未出现裂缝,因而满足抗渗要求;内水压作用下内衬钢板产生的最大应力远小于屈服强度,这说明钢板仍然处于弹性承载阶段,其强度与刚度未被削弱;内衬钢板可有效地抑制内水压引起的衬砌外张,内衬混凝土应力随着钢板厚度的增加而减小;内衬轻质垫层的布置边界需避开外管片手孔、接头等部位,以减缓管片结构应力集中;不同内衬自密实混凝土厚度对衬砌应力影响较小,在隧洞净空允许的前提下宜取相对大的厚度。     

盾构地铁管片设计的修正模型及其应用

管片和围岩变形一直是地铁设计和施工中待解决的难点之一,通常所采用的惯用法模型中,管片的计算主要考虑土层抗力和接头对结构的主要影响.在对现有模型中管片接头计算方法的研究基础上,本文得到了改进后的惯用法模型,推导了修正惯用法模型的位移求解公式,用地层结构法建立了围岩和衬砌的有限元模型.并结合哈尔滨地铁一号线工程实例资料,用修正惯用法模型求解衬砌的位移解析解,又用地层结构法中现用的惯用模型公式分别对围岩变形和衬砌进行了数值解计算,并进行比较.经研究表明,修正后的模型和推导的公式是可靠的,该项研究成果对管片设计具有一定的理论意义.     

混凝土管片接头有效弯曲刚度比的解析计算模型

混凝土管片及其径向接头的横向弯曲刚度直接影响到管片衬砌的弯矩分布。当混凝土管片的混凝土强度等级、主筋面积和接头连接螺栓的面积已知时,建立了混凝土管片和接头的极限弯矩计算模型。基于混凝土梁弯曲时截面变形假定,解析推导得到管片和接头的极限曲率表达式。分别定义了混凝土管片和接头的有效弯曲刚度及其弯曲刚度比,提出了混凝土管片接头有效弯曲刚度比的解析计算模型。分别参考北京地铁4#、东莞至惠州城际轨道交通工程某穿越东江水下隧道和上海地铁13#线隧道的工程参数,计算管片接头有效弯曲刚度和管片弯曲刚度的比值并进行对比。研究表明,管片接头有效弯曲刚度和管片弯曲刚度比在9%到11%之间,管片接头在衬砌中可以近似简化为铰接形式来进行内力计算。利用ANSYS软件建立等刚度管片环与铰接管片环模型,对比结果显示管片接头的存在使管片最大弯矩减小,弯矩分布发生很大变化。利用等刚度模型和铰接模型进行的内力计算可指导管片配筋,为工程提供参考。     

盾构隧道管片结构承载能力评估方法研究

承载性能是盾构隧道管片衬砌结构重要的力学特性之一，其准确评估是保障结构受力安全的关键，然而目前尚无成熟的评价方法。首先基于管片衬砌结构中管片和管片接头的受力及变形特征，建立了基于管片承载力和管片接头承载力的管片衬砌结构承载性能评估方法，提出了管片衬砌结构承载性能评估指标，然后分别开展了单环和组合环管片衬砌结构破坏加载原型试验对所提出的方法进行检验，最后结合现场实测对实际工程中管片衬砌结构的承载状态进行了定量评估和分析。研究结果表明：单环结构破坏试验中，管片接头破坏现象更为明显，其先于管片达到抗弯承载力极限值，组合环结构破坏试验中，管片破坏现象更为明显，其先于管片接头达到抗弯承载力极限值；单环和组合环管片结构试验中，结构破坏与理论计算方法中管片或接头达到承载力极限的荷载一致，表明所提出的结构承载状态评估方法是合理的；所选取监测断面管片结构中管片和接头的承载安全系数分别为4.27和4.86，可见其承载状态良好。该研究方法和结论可为类似盾构隧道管片结构承载安全评估提供重要支撑。     

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。     

考虑围岩蠕变特性的南京过江隧道变形规律预测分析

大型水下隧道由于渗漏水风险大、安全控制难,常采用掘进机开挖法施工,并采用管片拼装式结构;接缝众多的管片拼装式衬砌结构变形破坏机理与预测,成为水下隧道设计和安全控制的难点.依托南京市某过江隧道,基于黏弹塑性理论,采用广义指数型应变率蠕变模型,建立了考虑围岩渐进破坏过程的管片拼装式衬砌结构隧道施工全过程三维数值模拟模型,系统分析了接头缺陷位置、接头缺陷程度、掘进力、围岩压力、围岩蠕变性对隧道变形的影响规律,揭示了含管片拼装初始缺陷的水下隧道衬砌结构变形的时空效应.该过江隧道衬砌结构最大拉应力、水平位移及竖向位移的影响因素及其敏感度等级：初始应力>掘进压力>缺陷位置>缺陷程度.大型管片拼装式水下隧道变形安全影响因素及规律复杂,特别是掘进推力、初始应力场、围岩蠕变性之间不存在单一变化规律,建议具体工程应进行具体分析.     

盾构隧道管片衬砌力学行为区间不确定性分析

以琼州海峡盾构隧道为研究背景,基于梁-弹簧有限元模型,考虑初始设计阶段中相关参数的不确定性,将侧向土压力系数、地层抗力系数、接头等效抗弯刚度考虑为区间不确定性变量,建立了管片衬砌结构区间不确定性问题的数值求解模型,推导了影响度计算公式,可估计轴力、弯矩、安全系数的上下界.通过数值分析,探讨了各区间变量不确定性对管片衬砌结构力学行为的影响.数值结果表明:所取参数的不确定性对轴力影响较小,但对变形和弯矩影响较为明显;两种荷载模式对应的管片安全系数区间相差较大,在设计中应妥善考虑.研究结果有望为管片衬砌鲁棒优化设计提供参考.     

特殊荷载作用下电力电缆隧道结构内力计算

结合上海输电隧道工程实际,对其在内、外部荷载共同作用下的结构内力进行分析和计算,提出了盾构法施工条件下的电力隧道结构内力计算模式.结果表明：在盾构法施工条件下,适宜采用带有旋转弹簧及剪切弹簧接头的弹性地基圆环模型,以体现内部荷载施加前后管片内力的变化情况;横梁可使圆环水平变形减小,总体受力得到改善;横隔板及内部荷载可使管片轴力增加,横梁中部及两端弯矩增大,该处节点设计应尽量做到安全可靠,并做好连接点构造处理;横梁与衬砌结合部可产生应力集中,使得上部管片弯矩减小,下部管片弯矩增大,铰单元承受的弯矩减小.     

爆炸冲击下盾构隧道衬砌结构的动力响应特性

考虑现实生活中城市地铁隧道内可能出现的意外或恐怖袭击爆炸事件,运用有限元Midas/GTS软件数值模拟爆炸过程,分析爆破荷载作用下隧道管片的变形、振速、内力及地表的变形情况,分别选取3种不同管片接头模型进行对比。结果表明:爆破荷载作用对隧道管片的影响较大,而对地表的影响较小,其竖向位移随地表与爆炸源正上方位置距离的增大逐渐减小;不同接头模型中管片的内力与变形规律相似;隧道管片内力随时间先增大后减小,采用局部刚度折减法时管片的内力明显区别于整体刚度折减法与不折减法,折减区管片内力较大,整体管片内力分布不均匀现象更为明显。     

隧道TBM施工管片衬砌三维计算模型

基于三维非线性界面元和弹塑性理论,建立了隧洞双护盾全面断面掘进机（TBM）施工管片衬砌三维计算模型,这种界面元法能够进行单元交界面的弹塑性分析而无需设置任务形式的夹层单元,同时可以较好地模型TBM施工隧洞管片之间螺栓的连接作用及各种软弱面的不连续变形特征,理论分析和工程算例表明,提出的分析模型仿真性强、计算效率高。