盾构隧道施工期衬砌管片受力特性及其影响分析

针对施工期盾构隧道管片衬砌的受力特性及其施工荷载对管片结构造成的影响开展研究。首先,对施工期管片所受施工荷载进行系统总结,包括千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾壳作用力、拼装荷载及其他荷载等;进而将施工阶段管片衬砌的受力特性归纳为典型三维特性、不确定性及不可忽视性等三方面。在此基础上,对施工荷载对管片结构的影响进行了分析讨论,包括施工期的管片裂缝、局部破损、止水条损坏、管片渗漏、管片错台等。最后,从掘进千斤顶控制、注浆压力控制、螺栓二次预紧等角度对施工期盾构隧道的管片破损保护工作提出了建议。分析表明,对盾构隧道施工期管片受力特性及其影响的研究亟待深入,管片设计及相关规范亦应更加重视施工荷载的作用及其影响     

高水压大断面盾构隧道管片衬砌结构静力学行为模型试验研究

以武汉长江隧道工程为背景,采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,最后对盾构隧道管片衬砌结构的静力学行为特征的试验结果进行了重点分析。分析表明,9等分块力学性能优于9+1分块;宜将错缝180°的错缝拼装方式作为武汉工程首选拼装方案;对于大幅宽管片,幅宽中央受环间螺栓剪力影响较小,而幅宽边缘则较大。     

湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,其管片采用斜螺栓连接,错缝拼装,分别采用修正惯用法及梁-弹簧法计算最大覆土断面与最大水深断面管片的受力,并将实测管片受力、水-土压力值与理论计算结果进行比较,分析水-土压力分布模式,结果表明,修正惯用法与梁-弹簧法均可以较好地模拟隧道管片的受力形态,而梁-弹簧法比修正惯用法更接近实测结果;管片呈压扁状态,梁-弹簧法结果受封顶块的位置影响较大;太沙基松弛土压力及水-土压力线性分布模式对深埋海底隧道是适用和安全的;对于本工程来说,管片外荷载以径向水压力为主,是影响管片轴力的主要因素。以上成果可为今后跨海高水头盾构隧道管片的设计及施工提供参考。     

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM）;其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可...     

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。     

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。     

冻土隧道冻胀力室内模型试验研究

详细地介绍了曲墙式、直墙式和圆形断面隧道衬砌在约束条件、隔热保温层及含水状况等因素变化情况下的相似材料冻胀力室内模型试验,通过分析试验得出不同衬砌断面在各种因素影响下衬砌和围岩间冻胀压力的量值和分布特征,以及由冻胀压力引起的结构内力分布特征。研究表明,直墙式断面受冰胀力最大,曲墙式次之,圆形面最小;曲墙式、直墙式断面冻胀力均呈分布荷载形态,前者拱脚及仰拱脚处冻胀力最大,后者边墙、底板处冻胀力最大。     

大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学性能研究

日益复杂的地铁建设环境使得地铁线路布置困难、施工风险加大,同时对施工方法也提出了更为严格的要求。采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站是解决复杂环境下地铁建设的一种新思路。以北京地铁14号线高家园站为背景,提出了在外径10 m的大直径盾构隧道基础上采用CRD(Cross Diaphragm)法扩挖地铁车站的两种方案,利用“地层-结构”相互作用有限元法模拟了车站扩挖施工过程,研究了结构体系的受力转换规律。结果表明：在扩挖施工中,结构受力转换频繁;结构体系的最大轴向应力位置由管片环转移到初期支护,最大剪应力位置转移到封顶块管片;管片环由受压状态为主转向受剪状态为主,初期支护、中隔板、梁柱及临时支撑以受压状态为主;封顶块管片和顶梁上部翼缘处的应力较大,应对这些位置进行加强处理。     

TBM隧道回填层-管片受力特征模型试验研究

回填层作为围岩和管片之间的连接部分,起到稳定衬砌、传递荷载、吸收变形等作用。护盾式TBM隧道施工过程中,回填层存在未注浆松散、注浆固结两个主要状态。回填层状态不同,回填层作用及管片受力特点也不同。研究采用相似模型试验分析不同状态下的回填层作用机制,通过研究得到了以下结论：回填层未注浆松散状态下,由于碎石的径向压缩与环向移动,围岩传递到管片上的荷载量值降低且分布较为均匀,此时回填层作为“可压缩层”,具有让压和均匀荷载的作用,能明显降低管片的受力和变形;回填层注浆固结后,回填层虽然能够承担少量的荷载与变形,但承载能力有限,主要作为围岩与管片之间的“传递层”,传递荷载与变形;对于挤压性围岩护盾式TBM隧道施工可适当应用回填层未注浆时的“可压缩性”,减小施工过程中管片受力与变形;对于浅埋及地铁隧道则应尽早注浆,使衬砌与围岩形成稳定的受力体系;回填层弹性模量的增加可提高回填层-管片组合体系支护刚度,但增加效果不明显。     

氯盐和冻融循环复合作用对深埋公路隧道安全性能的影响

对氯盐和冻融循环复合作用后Ⅳ级围岩中埋深为30 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算,该荷载-结构模型在拱顶152°范围内设置拉弹簧,其余部位设置压弹簧,计算表明：随着环向裂缝宽度（钢筋锈蚀程度的增加）以及纵向裂缝深度的增加,隧道安全性能逐渐降低;衬砌具有相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性能的影响大;当环向裂缝宽度小于0.2 mm时,环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安全性能影响不大。     

地铁盾构隧道近距离上穿既有线路纵向变形计算方法

针对新建地铁盾构隧道近距离上穿施工引发运营地铁线路不均匀变形问题,将既有线盾构管片视为一系列位于Pasternak基础上由拉伸弹簧、压缩弹簧和剪切弹簧连接的弹性地基短梁,考虑了管片间转动效应和剪切效应以及管片与土体相互作用,建立了基于Mindlin理论的新建盾构隧道施工引起的附加应力以及基于最小势能原理的既有隧道纵向变形的计算方法。结合实测数据与已有方法对比,验证了方法的适用性,并根据工程实例,采用该方法对影响纵向变形的管片连接、土体力学参数、新线与既有线相对位置参数及加固效果进行了分析。结果表明：新建隧道施工至上穿部位时摩擦力f和注浆压力p对既有隧道变形影响较大,穿越既有隧道后纵向变形主要受卸荷附加应力F影响;随着管片间剪切刚度ks、抗拉刚度k T增大,既有线路隆起变形减小,其中ks影响相对较大,工程中可从增强ks和kT的角度控制隧道变形;环形支撑加固措施能有效控制既有线纵向变形,且环间距1.5 m、交叉点左右各3～5环可取得良好效果。     

穿越黏滑断层分段接头隧道模型试验研究

数次大地震震害调查表明,隧道穿越断层处是受地震破坏较为严重的区域。为此,基于地震动能量的传播与释放特征,建立了一种穿越断层隧道结构抗减震的设计理念,并提出了一种穿越断层隧道节段接头形式。以跨断层龙溪隧道为依托,采用振动台模型试验研究了单一错动方式与断层错动-震动综合加载方式下带有接头的衬砌结构响应。研究结果证明：强震作用下,地震波对穿越断层隧道的影响是不可忽略的,断层错动-震动综合加载方式是合理的;新型接头能够自身适应性变形协调减轻隧道结构震害,节段间接头的设置改变了隧道的变形形态,提高隧道整体抗震能力;同时减小了衬砌的环向破坏,消弱了节段间地震力的传递,实现了衬砌震害的局部化。由于接头的设置,上盘隧道结构震害集中在距断层1.8倍洞径的范围内,下盘处隧道衬砌震害集中在距断层1.2倍洞径范围内;上盘的衬砌震害主要是由错动-震动联合作用造成的,而下盘衬砌震害主要受地震动的影响。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

盾构隧道实测土压力分布规律及影响因素研究

以大量现场实测土压力为基础,分析了影响盾构隧道衬砌土压力的一些主要因素,总结出不同地层地铁盾构隧道长期稳定土压力的分布规律,并探讨了盾构施工期土压力随时空的变化情况。研究得出,地下水位高低对稳定土压力大小及分布影响较大;作用在管片上的长期土压力大小与地层衬砌刚度系数有关,当地层衬砌刚度系数为1.5时,管片竖向及水平土压力都较小;盾构施工期临时荷载对管片土压力影响不可忽视,无论是黏土地层还是砂土地层,大的注浆压力及注浆率将导致作用在管片上的稳定土压力分布不均;管片土压力可按时空分为4个阶段,拼装阶段、同步注浆阶段、浆液凝固阶段及后期稳定阶段,其中同步注浆阶段管片周边最大土压力为稳定阶段的2～3倍。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

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。     

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。     

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显...     

非对称基坑开挖对下卧地铁隧道影响的离心试验

非对称基坑开挖引起的卸载－再加载作用常常对下方已建地铁隧道产生不利影响。为明确基坑施工过程对既有隧道的扰动作用,运用土工离心试验系统开展离心模型试验,试验中考虑非对称基坑开挖的卸载－再加载过程,以及基坑与隧道的相对位置,并结合卸载－再加载过程的桩-土-隧道荷载传递机制,分析了不同开挖步和荷载施加对既有隧道位移和受力的影响。结果表明：基坑开挖引起了明显的地层损失,非对称卸载作用导致隧道发生上浮和偏移,基坑初次开挖对隧道的扰动较小,随开挖深度增加,扰动作用逐渐加强;距离基坑中心线近的左线隧道扰动作用更加明显,离基坑越远,基坑卸载－再加载扰动作用越不明显;荷载施加后,由于桩基荷载传递作用和隧道加筋阻拦作用,使得隧道衬砌应力重分布;位于两桩之间的断面扰动较明显,而位于桩侧附近的断面扰动较小,说明群桩效应对隧道扰动更明显。     

大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析

以武汉长江隧道工程为例,采用三维壳-弹簧计算模型,对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析,并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。研究表明,全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位;环间接头剪力对幅宽边缘影响较大,而对幅宽中央影响偏小;当环间接头剪切刚度为非无穷大时,壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果,而当无穷大时两者数值则基本相等;壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间,并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果;大幅宽条件下,不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。