盾构隧道地震响应分析方法及工程应用

盾构隧道在地震作用下可发生接头螺栓剪断、管片开裂、管片端部混凝土脱落、大变形及错台等震害,将影响隧道的安全与正常使用,因此,建立合理的分析模型与计算方法来研究隧道可能的震害具有重要的工程防震减灾意义。采用嵌入梁单元模拟接头,厚壳单元模拟管片,无限元作为动力人工边界,同时在管片之间及管片与地层间设置非连续接触关系,更好地模拟了管片厚度方向应力及管片与地层间的相互作用,建立了厚壳-接触-无限元地震响应分析模型。并将该模型运用于某大直径越江盾构隧道的抗震分析中,计算结果与盾构隧道震害特征较为吻合,表明该模型可反映盾构隧道的真实地震动响应。并应用该模型分析了壁后注浆层材料参数及结构与土体相互作用对管片动力响应的影响。所建模型对于研究盾构或TBM施工隧道的震害分析具有很好的推广价值。     

列车运行时由轨道不平顺引起的地基振动研究

采用半解析法研究了列车荷载作用下列车-轨道-饱和地基系统的耦合振动问题。研究模型共分为3部分：车体简化为一个多刚体系统,在车轮与钢轨之间引入线性Hertizian弹簧接触模型模拟轮轨动力相互作用、采用离散轨枕支撑的弹性Euler梁来模拟轨道系统、下卧土体采用多孔饱和半空间模型。列车荷载分为轴重和由轨道不平顺引起的轮轨动力相互作用力。采用Fourier变换分别求解各子系统的控制方程,并通过动力子结构法对各子系统进行耦合。土体在时域内的动力响应通过快速Fourier变换求得。在分析了轮轨动力相互作用力的基础上,研究了轮轨动力作用力和列车轴重作用下饱和地基的动力响应,并分析了轨枕间距和土体渗透系数对饱和地基振动响应的影响。研究表明,轮轨动力作用力对地基远场振动有重要贡献,同时枕木间距对轨道与地基振动响应有较大影响。     

基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法

为了更合理和快捷地评估基坑施工对邻近已建地铁隧道的影响,将隧道视为弹性的地下连续梁来分析隧道本身的受力和变形,推导了隧道与周围土体相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入弹性半空间层状模型来分析基坑卸载对土体和隧道变形性能的影响,建立了层状地基中基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法;然后,将提出方法与两阶段方法进行了算例对比,并结合离心机试验结果和工程实测数据进行了验证。研究发现,与两阶段方法相比,耦合方法在能反映出非均质层状地基土体的应力和应变集中（或扩散）现象,不仅具有更好的计算精度,而且减少了计算参数的数量;提出方法的理论计算值与离心试验结果基本一致,与工程实测变形数据基本吻合,验证了方法的有效性;通过工程实际应用得出的一些有益结论,可为合理制定城市基坑施工对邻近隧道影响的保护措施提供一定的理论依据。     

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。     

基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法

为了更合理和快捷地评估基坑施工对邻近已建地铁隧道的影响,将隧道视为弹性的地下连续梁来分析隧道本身的受力和变形,推导了隧道与周围土体相互作用的有限元耦合平衡方程,并引入弹性半空间层状模型来分析基坑卸载对土体和隧道变形性能的影响,建立了层状地基中基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法;然后,将提出方法与两阶段方法进行了算例对比,并结合离心机试验结果和工程实测数据进行了验证。研究发现,与两阶段方法相比,耦合方法在能反映出非均质层状地基土体的应力和应变集中(或扩散)现象,不仅具有更好的计算精度,而且减少了计算参数的数量;提出方法的理论计算值与离心试验结果基本一致,与工程实测变形数据基本吻合,验证了方法的有效性;通过工程实际应用得出的一些有益结论可为合理制定城市基坑施工对邻近隧道影响的保护措施提供一定的理论依据。     

盾构隧道与周围土体在列车振动荷载作用下的动力响应特性

为研究列车振动荷载作用下盾构隧道结构及周围土体的动力响应特性,采用模型试验方法,通过布置在盾构隧道底部的激振器施加扫频激振荷载和列车振动荷载,采用频率响应函数FRF与最大加速度分析了盾构隧道衬砌结构与周围土体不同位置处的动力响应及其衰减规律。研究结果表明：FRF是隧道衬砌结构和周围土体自身的动力响应特性的体现,与激振力的大小、扫频方向及扫频时间无关;在隧道管片衬砌结构的底部和顶部均体现出高频响应大于低频响应的特性,隧道顶部加速度响应沿隧道纵向衰减幅度明显小于隧道底部;隧道周围土体的动力响应沿深度有明显变化,但均表现出沿隧道轴向衰减的规律。隧道结构上部第1层测点土体的动力响应在全频域内随频率的增加逐渐增大。但在第2层和地表的第3层测点,土体的动力响应在30～90 Hz区段线性增长,在90～300 Hz区段出现波动变化,并无明显增大趋势;与扫频激振荷载引起的动力响应规律一致,由列车运行振动荷载引起的隧道管片衬砌结构和周围土体的振动沿隧道轴向逐渐衰减,隧道底部的加速度响应大于顶部,随着列车车速的增大,在隧道内部引起的加速度响应将显著增大。同时,在列车振动荷载作用下发现地表存在加速度放大效应,地表第3层测点的加速度响应均大于隧道结构上部第1层测点。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

可液化地基上地铁车站结构地震反应特征有效应力分析

采用Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型描述土体的液化特性,采用Davidenkov黏弹性本构模型描述土体的非线性特性,建立了可液化地基-地铁车站结构非线性静、动力耦合相互作用的二维分析模型,采用动力有效应力分析方法对可液化地基上两层三跨岛式地铁车站结构的地震动反应进行了数值分析,并与动力总应力方法分析的结果进行对比,结果表明：地铁车站结构两侧及底部邻近位置的土体较易液化,地基土的液化对地下结构邻近地表的加速度反应有明显的影响,且在地基土液化的影响下地下结构有明显上浮的趋势,并呈现出中部上凸的变形特征,地下结构的破坏型式为上层顶板和底板两端的受拉破坏、下层底板边跨跨中的上拱弯曲破坏、中柱的受压破坏、侧墙底端的弯曲破坏。     

盾构近距离下穿引起已建地铁隧道纵向变形理论研究

盾构下穿会引起邻近已建隧道附加应力的变化,使已建隧道产生变形,对已建隧道的结构和运营安全造成一定的影响。基于明德林（Mindlin）解,经数值积分可以计算出盾构产生的刀盘附加推力q、盾壳摩擦力f及同步注浆附加压力p作用下所引起的已建隧道轴线处的附加应力。同时,利用镜像法算出在土体损失作用下已建隧道轴线处的附加应力,再将已建隧道视为温克勒（Winkler）地基梁,应用Winkler地基梁理论即可算出上述4个参数作用下已建隧道的变形,根据盾构穿越的不同工况,将上述参数作用下的变形进行叠加得到已建隧道总变形。通过杭州4号线盾构隧道下穿1号线隧道的工程实例将理论计算结果与实测结果对比分析,证明了该方法的有效性。     

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。     

列车激震荷载下地铁双圆隧道的动力响应研究

以上海地铁杨浦线(M8)黄兴绿地站到翔殷路站区间隧道双圆盾构工程为背景,研究了列车激震荷载作用下软土地铁双圆隧道的动力响应规律。通过对地铁盾构隧道-地层体系进行模态分析,得到地铁双圆隧道-围岩体系的振型和频率,以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。采用车辆-轮轨模型,计算列车振动荷载,然后确定软土双圆隧道初始地应力,最后运用时程分析方法分别研究在单、双列列车动载两种情况下,软土地铁双圆隧道的随机动力响应及其薄弱部位和相应的位移场和应力场,从而为软土地铁双圆隧道的抗震设计提供借鉴。     

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。     

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。     

地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析

地铁行车荷载经轨道-道床-隧道结构传至地基,在土体内部产生循环动应力以及超孔隙水压力是引起盾构隧道沉降的重要原因。通过车-轨-隧道-地基竖向耦合动力模型分析隧道差异沉降对列车运行荷载的影响,以上海地铁一号线体育馆站附近区间隧道为工程背景建立三维数值模型,结合塑性累积应变及累积孔压经验公式进行计算,对比分析软土盾构隧道下卧土层有、无纵向差异沉降两种情况下,地铁行车速度对隧道运营沉降的影响。结果表明：列车运行速度越快,下卧土体波动越大,但衰减越快。地基差异沉降对其长期运营存在明显不利影响,随着列车速度增大,这种影响也愈加明显。当地基差异沉降小,轨道平顺条件好时,隧道长期沉降随地铁行车速度的增大而减小;当地基差异沉降突出,轨道存在明显不平顺时,隧道运营沉降随行车速度增大而显著增加。     

超大型离心机基础自振特性研究

某超大型离心机基础埋置于复杂软土地基中,自振特性研究十分关键。分别建立离心机基础的等效土弹簧模型和实体地基模型,对比分析不同地基模拟方法下的模态分析结果;开展基于白噪声激励的动力时程分析,分析地基参振质量对自振特性的影响。结果表明：超大型离心机基础前两阶模态振型分别为水平横向和纵向的摆动;基于不同的地基模拟方法计算得到的振型结果一致,自振频率相差在10%以内;超大型离心机基础结构的前两阶地基参振质量分别为1.376倍和0.998倍的基础总质量,地基参振质量使得结构的振动响应幅值下降50%左右,频谱峰值频率减小约2 Hz。结论对大型埋置式动力机器基础的自振特性研究具有指导和参考意义。     

泥水平衡盾构顶推力非线性动力学分析与应用研究

泥水平衡盾构开挖过程中常遇到盾构顶推力难以确定且波动复杂的问题。针对该问题,对盾构推进过程中所受阻力进行系统的分析,确定了阻力的组成部分和计算方法,改进了盾壳与周围土体间摩擦力的计算公式。分析泥水平衡盾构推进系统的组成和工作原理,基于盾构推力的静力学模型建立了单自由度动力学模型,根据能量守恒原理建立了系统的平衡微分方程,推导出盾构推力的非线性动力学公式。基于上述公式,分析了盾构推力的变化趋势和波动规律,确定了液压油缸的最佳行程距离。通过与武汉地铁8号线越江隧道长江穿越段盾构顶进推力的实测数据对比分析,验证了提出公式能够正确计算管片衬砌所受的动态顶推载荷,对衬砌结构内力分析具有重要意义。     

盾构动态掘进中围岩变形特性的数值实验研究

为了解软弱土层盾构隧道围岩的变形特性,结合某市地铁盾构下穿既有桥梁结构工程实例,建立每个分析步下盾构动态掘进三维数值模型。模型建立在库仑屈服准则和孔隙水达西定律推导的固结有限元方程上,综合考虑刀盘扭矩、推进力、土仓压力、桥基荷载及孔隙水压力等影响盾构施工质量的诸多因素,结合室内三轴实验和现场实测数据,对盾构动态掘进过程建模原理、模型合理性、围岩变形特性及桥梁结构安全等问题进行研究。研究结果表明:盾构掘进对围岩变形影响表现为接近、穿越和远离3个阶段;盾构接近断面时,受刀盘扭矩、推进力和土仓压力的影响,前方地表出现拱起;盾构穿过、远离断面后,围岩发生沉降、向隧道内和向前运动趋势,变形主要集中洞口上方,呈槽型;地表/桥基沉降计算和实测值吻合,围岩变形能够满足盾构隧道施工安全。