穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

地震荷载作用下大坂盾构隧道管片配筋校核

将盾构隧道管片视为分段曲梁、管片之间为铰接关系、管片与地层之间为非线性接触关系,边界采用无限元吸收地震波的反向与折射,地层服从Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,地震波采用EI-Centro波,采用地层-结构法,应用隐式动力有限元分析地震荷载作用下管片轴力与弯矩分布情况。根据有限元计算结果,结合结构力学方法,校核管片配筋是否合理。与荷载结构法相比,其方法可模拟围岩与管片、管片与管片之间的相互关系,并可考虑锚杆等支护结构对管片受力的影响,因而,计算结果更为精确。研究为盾构隧道管片配筋优化设计,降低隧道支护成本,提供了一种管片配筋校核计算方法与设计依据。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象,对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算,探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响,揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性,提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。     

近接隧道列车运行时地表振动响应数值模拟

鉴于目前城市地下铁路隧道平行、交叠的情况逐年增加,且对多列车耦合荷载作用下地表振动规律尚不清楚,本文建立了大直径盾构隧道下穿双线地铁隧道三维数值分析模型,并通过现有运行列车参数建立了刚体列车模型以及实体轨道模型。采用Hertz接触模拟了运动列车轮与钢轨的接触,通过罚接触与硬接触模拟了隧道与围岩的非线性接触,利用无限元人工边界模拟了无限半空间。使用时域显式整体分析方法模拟了编组列车在隧道内的运行并与实测地表振动加速度结果进行了对比,结果表明本文建立的数值模型能够较好地反映出真实地铁列车运行时地表的振动响应。在此基础上,分析了多线隧道交汇段不同列车运行工况下地表竖向加速度的时频特性以及分布规律。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-弹性铰-地基系统模型

从Reissner-Mindlin板单元入手,研究了盾构隧道管片衬砌结构之间的连接特征及土层与管片衬砌结构的共同作用,提出了盾构隧道管片衬砌结构的平板壳-弹性铰-地基系统模型,在此基础上研制了相应的有限元计算程序。该模型考虑了管片衬砌本身的弯曲、剪切和薄膜作用,考虑了纵向接缝在正负弯矩作用下的转动刚度差异和环向结缝对结构刚度的削弱作用,以及土层与衬砌结构的共同作用。能解决盾构隧道管片衬砌结构的三维受力分析,并能计算出结构的内力和变形,弥补了二维计算模型的某些不足。验证了程序的可靠性,最后给出了工程算例的三维计算分析结果。     

盾构隧道抗震分析的静力推覆方法

利用动力时程法对盾构隧道进行抗震分析时,计算时间长,工作量大,土体本构以及阻尼的选择困难,不利于工程设计广泛应用。为了解决这些困难,借鉴地上结构静力推覆分析方法的思想,并结合盾构隧道的地震响应主要由周围土体的地震响应所控制的这一特点,改进了静力推覆方法中的水平加载模式,提出了适用于盾构隧道抗震分析的静力推覆分析方法,并引入了隧道倾斜度的概念来衡量隧道的抗震性能。此法通过对计算模型施加沿地层深度方向分布的倒三角侧向水平位移,来模拟地震对盾构隧道的作用,概念清楚,考虑了隧道与周围土体的相互作用,避免了在动力时程分析中所涉及的土体本构和阻尼的选择、计算模型边界条件等复杂问题,大大降低了盾构隧道抗震分析的难度,同时,可以得到隧道的抗震能力曲线。与动力时程分析的对比结果表明,在弹性阶段,此法的计算结果合理,具有较高的精度,适用于盾构隧道抗震设计。     

基于耦合分析法的地铁隧道抗震研究

在土体与结构动力相互作用理论的基础上,提出用有限元和无限元耦合分析法对地铁隧道结构进行抗震分析。为考虑相互作用的非线性特点,选用Ramberg-Osgood骨架曲线来模拟土体本构关系的非线性特性,同时选用GOODMAN单元来模拟土与结构接触面上的非线性接触状态。以双洞口矩形隧道结构为例进行了动力反应的分析与比较,得到了一些有益的规律和结论。     

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。     

采用矿山法构筑区间盾构隧道渡线段的方案探讨

针对北京地区地质条件,提出了在区间盾构隧道之间采用矿山法构筑渡线隧道的方案,即先在最大开挖断面处拆除管片,沿横向扩挖出一条施工通道;然后在施工横通道侧壁开口,从大断面向小断面进行渡线隧道的断面渐变段、双联拱段和分离单洞的施工,从而在两条区间盾构隧道之间采用矿山法完成渡线隧道的施工;最后,应用FLAC数值计算软件,探讨了管片拆除及隧道断面扩挖引起的地表沉降和塑性区分布范围。研究结果表明,针对北京地区的地质条件,提出的在区间盾构隧道之间采用矿山法构筑渡线隧道的方案具有工程适用性。     

Analysis of shield tunnel

This paper proposes a two‐dimensional finite element model for the analysis of shield tunnels by taking into account the construction process which is divided into four stages. The soil is assumed to behave as an elasto‐plastic medium whereas the shield is simulated by beam–joint discontinuous model in which curved beam elements and joint elements are used to model the segments and joints, respectively. As grout is usually injected to fill the gap between the lining and the soil, the property parameters of the grout are chosen in such a way that they can reflect the state of the grout at each stage. Furthermore, the contact condition between the soil and lining will change with the construction stage, and therefore, different stress‐releasing coefficients are used to account for the changes. To assess the accuracy that can be attained by the method in solving practical problems, the shield tunnelling in the No. 7 Subway Line Project in Osaka, Japan, is used as a case history for our study. The numerical results are compared with those measured in the field. The results presented in the paper show that the proposed numerical procedure can be used to effectively estimate the deformation, stresses and moments experienced by the surrounding soils and the concrete lining segments. The analysis and method presented in this paper can be considered to be useful for other subway construction projects involving shield tunnelling in soft soils. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

紧邻多孔交叠隧道抗震性能研究

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展,盾构隧道之间近距离相互穿越工程将会越来越多。武汉市轨道交通2号线与4号线在洪（洪山广场）中（中南路）区间为4孔紧邻交叠隧道。根据实际工程特点,将其简化为不同间距的4孔平行重叠和4孔垂直交叉隧道,分别建立其三维计算模型,分析了紧邻多孔交叠隧道的三维地震响应,其中考虑了不同地震波幅值、隧道间距、隧道空间位置、隧道管片横、纵向差异以及紧邻多孔盾构隧道间加固层的影响,从结构变形和受力两方面评价了其抗震性能。计算分析表明：（1）隧道间距对隧道地震响应影响不显著;（2）4孔垂直交叉隧道的抗震性能要优于4孔平行重叠隧道;（3）紧邻多孔交叠隧道具有良好的抗震性能,满足抗震要求。其研究成果可为今后类似工程的抗震初步设计提供参考。     

盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析

针对地下结构传统的简化计算方法的不足,采用适应性较强的有限元法,对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接触面以及开挖过程中地应力释放等多方面进行了有限元模拟,并且利用同济曙光软件计算和分析了盾构施工对临近构筑物的影响以及地层的变化情况,从计算结果来看是较为满意的。能够为盾构隧道衬砌的设计和施工提供有益的参考。     

叠落盾构隧道受力分析及管片配筋

在现代城市轨道交通建设中,上下叠落地铁盾构隧道越来越多,这类叠落盾构隧道相互影响,塌落拱多次叠加,传统解析法计算隧道围岩压力存在困难,目前缺乏相应的叠落隧道围岩应力计算方法。为了研究叠落盾构隧道受力分析及管片配筋,以北京地铁6号线南锣鼓巷站—东四站叠落盾构隧道为工程实例,根据弹塑性理论模拟隧道开挖过程计算塌落拱多次叠加,结合强度折减法计算叠落隧道塑性区,然后根据塑性区计算塌落拱高度和围岩压力;根据厚壁圆筒理论,计算盾构施工和列车运营对下方隧道附加应力;根据以上分析,计算叠落隧道的下方盾构隧道管片内力并配筋。     

基坑开挖引起的旁侧盾构隧道横向受力变化研究

为研究运营盾构隧道附近基坑开挖对隧道管片受力的影响,针对基坑开挖引起旁侧盾构隧道围压变化的机制进行了分析,提出了一种能描述隧道受力-位移-再平衡过程的附加围压重分布模型,并推导出附加围压的计算公式。采用修正惯用法计算相应围压作用下的衬砌内力。根据实际工程做算例分析,研究基坑开挖对盾构隧道围压和内力的影响,并进行影响因素分析。分析结果表明：基坑开挖前隧道围压呈“钟形”分布;当基坑开挖后,隧道两侧的围压减小,基坑开挖侧的围压减小量更多;基坑开挖会使旁侧隧道正负弯矩值和正负剪力值增大,拱顶和拱底的轴力减小;随着基坑侧壁应力释放系数的增大,附加围压和附加弯矩的绝对值都会增加,而弯矩对基坑开挖卸载的响应更为明显;埋深较浅的盾构隧道对旁侧基坑开挖的影响更敏感,埋深较大的隧道,尤其是埋深大于基坑开挖深度的隧道,对旁侧基坑开挖影响的敏感度会明显降低;随着基坑与旁侧隧道净距的增加,基坑开挖对隧道的影响也会减小。     

Multiscale method for long tunnels subjected to seismic loading

A multiscale method for the dynamic analysis of underground structures is proposed, which involves the concurrent discretization of the entire domain with both coarse‐scale and fine‐scale finite element meshes. The coarse‐scale mesh is employed to capture seismic response characteristics of the integral system, whereas the fine‐scale mesh describes in detail the dynamic response in positions of potential damage or interest. For both the coarse‐scale and fine‐scale meshes to overlap, a bridging scale term is introduced so that compatibility of dynamic behavior between the coarse‐ and fine‐scale models is enforced. Both material and contact nonlinearities are considered in the multiscale model. As an application, the model is used for large‐scale seismic response of a newly built long‐distance shield tunnel. Results show that this multiscale method does not have spurious wave reflections at the fine/coarse interface and does not need filtering procedures, which is an advantage compared with the displacement coupling method. Stress and deformation response in lining segments and their connecting bolts are investigated and analyzed within the fine‐scale model, and the capacity of critical structural components, such as bolts and joints is evaluated. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.