盾构衬砌管片接头力学分析及双直线刚度模型研究

盾构管片接头弯曲刚度K? 是盾构衬砌结构计算中的一个重要参数。根据管片接头构造特征,在传力衬垫和弹性密封橡胶试验资料的基础上,对管片接头进行受力分析,得到管片接头弯曲刚度与接头内力的非线性关系。为了应用方便,建立了实用的管片接头弯曲刚度的双直线模型。该接头刚度模型为梁-弹簧模型法和修正惯用法中的关键参数确定提供了基础,管片的内力计算也更加合理。     

盾构衬砌管片环弯曲等效刚度的一种确定方法

文章根据修正惯用法和梁-弹簧模型法定性分析了由钢螺栓接头拼装而成的盾构衬砌管片环弯曲等效刚度的主要影响因素,并给出了目前我国盾构衬砌环的弯曲刚度的有效率η的一个拟合公式,公式的正确性通过模型试验的验证,有一定工程参考价值.     

盾构隧道管片衬砌荷载模式比较分析

地下结构的荷载分布计算是非常复杂的 ,针对上海某越江盾构隧道 ,采用梁—弹性铰—地基系统计算模型 ,就水土压力合算与分算、侧向土压力和水压力的分布形式等设计了几种荷载模式 ,并分别计算分析比较了管片衬砌结构在这些荷载模式作用下的内力分布和变形特性 ,并从中得出了一些有价值的结论。     

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     

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。     

盾构衬砌管片土压力反分析研究

作用在管片上的土压力是影响管片设计的关键因素之一。目前松弛土压力的计算理论存在较多假定,与实际受力状态存在很大的差异,而且由于壁后注浆使得盾构隧道管片土压力实测比较困难,普遍存在土压力实测数据可靠性不高的问题。针对以上问题,建立了一种管片土压力反演分析方法,根据相对易于测定的管片内力实测数据,采用最优化方法反演作用在管片上的土压力的大小和分布。反演计算结果表明,深埋与浅埋条件下隧道土压力有较大的不同,且与目前设计土压力假定的分布也有很大的区别。     

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。     

软土盾构隧道管片环接头的形式及其设计建议

盾构隧道的接头在整个隧道结构性态和稳定性方面起着重要的作用,尤其是隧道纵向即管片环接头.文章首先通过一些实例介绍隧道由于接头失效而导致的各类不良现象或潜在危险,再对隧道通常采用的接头形式、构造及适应性进行归类,进而对不同接头形式的性能进行分析,并提出接头设计时的建议.     

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。     

盾构隧道管片上浮问题研究

盾构隧道施工过程中衬砌管片上浮问题是客观存在的,且一直是较难解决的问题之一,而大直径盾构隧道的上浮问题表现的更为突出。应用有限元法,对地层材料的物理力学性质、注浆材料的性质等影响盾构衬砌环上浮的因素进行了分析。根据分析结果,结合对衬砌结构在施工过程中受力状态的分析,对衬砌环上浮的原因进行了阐述,据此针对大直径盾构隧道的特点,提出了施工、设计过程中控制衬砌管片上浮的对策和措施,可为盾构隧道的施工和设计提供参考。     

盾构隧道纵向等效弯曲刚度的简化计算模型及影响因素分析

盾构法隧道在国内的应用越来越广泛,早期建造的盾构隧道在工后沉降较大时出现较大的纵向变形问题,考虑隧道结构特征的设计模型及其刚度计算逐渐得到重视。在考虑管片螺栓等结构特征基础上,建立可考虑环缝张开的三维纵向结构计算模型。研究结果表明,与管片环接缝相关的影响因素,如螺栓的数量、螺栓的预紧力以及管片环宽度对纵向弯曲刚度有效率影响较大,随着纵向螺栓数量和管片环宽度的增加而线性增加,随着螺栓预紧力的增加而非线性快速增加,而管片环的横向弯曲刚度有效率影响较小。研究成果为盾构隧道纵向设计提供了关键参数。     

南京长江隧道盾构管片预制生产技术研究

结合南京长江隧道管片预制生产实例,介绍了大卣径盾构隧道管片预制生产技术,总结了高强度和高抗渗性管片预制生产技术控制措施,埘类似工程施工具有指导意义。     

水下盾构隧道运营期管片应变增量变化规律研究

掌握水下盾构隧道运营期结构正常响应规律是进行结构异常响应预警的前提。基于武汉长江隧道健康监测系统,首次获得了长期运营过程中（2013－2020年）管片应变监测数据,系统研究了应变增量分布规律、应变增量与温度增量和水位增量的关联关系、以及相邻管片应变增量空间的关联关系,提出了基于应变增量的结构异常响应预警方法并确定了相应的预警阈值。研究结果表明：（1）正常运营期应变增量分布尾部比正态分布更重,指数分布可以较好地描述应变增量绝对值的分布规律;（2）应变增量难以预测,但是其变化范围可以通过统计分析确定,据此可提出一种结构异常响应单测点预警方法并确定其预警阈值;（3）正常运营期间,相邻管片应变增量存在一种“你胀我缩”的变形模式,使得相邻管片平均应变增量能被约束在一个相对较小的变化范围,据此可提出一种结构异常响应多测点联合预警方法并确定其预警阈值。     

盾构隧道衬砌结构受力分析的梁—弹簧系统模型

盾构隧道衬砌结构由若干管片及其间的连接螺栓组成。在其断面受力的工程设计中,目前普遍采用梁-弹簧系统模型来模拟其受力性态。其中,梁可分成直梁和曲梁两类。本文在考虑弹簧刚度的轴向、切向和转动效应的同时,从卡氏（Castigliano）第二定理出发,给出了梁-弹簧模型的矩阵式,并论证了直梁-弹簧模型与曲梁-弹簧模型的一致性关系。在数值模拟计算过程中,还考虑了地层反作用力非线性情形和管片接头转动刚度正、负弯矩时的非对称性问题。     

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。     

运营期水下盾构隧道管片接缝张开度变化规律

水下盾构隧道管片间接缝张开度对隧道防水及运营期结构安全有重要影响。以南京扬子江隧道结构健康监测系统中两个典型监测断面的接缝监测数据为基础,通过多元线性回归分析方法分析在两种不同地层组合下接缝张开度随水位、温度变化的规律;并对接缝张开度随水位变化的规律进行了有限元数值模拟,数值模拟结果与回归分析结果吻合较好。上述分析结果表明,纵缝张开度和横缝张开度随水位、温度的变化均呈现较好的线性关系,具体变化趋势如下：当盾构隧道穿越上砂下岩的上透下不透地层时,环内上半部分管片纵缝张开度随水位的增大而增大,受温度影响则相对较小;当盾构隧道穿越砂性全透水地层时,环内管片纵缝张开度随水位的增大而减小,受温度影响也相对较小;环间横缝张开度在上述两种地层下随水位、温度的变化趋势相同,均随水位增大而增大,随温度的升高而减小。     

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。     

盾构隧道衬砌CAD软件的设计及应用

基于荷载-结构法并采用面向对象的设计方法,介绍了盾构隧道衬砌计算机辅助设计（GeoFBA）软件编制的理论依据、软件的适用范围及特点。软件考虑了各种可能的线性和非线性模式以及规范验算方法,实现了计算的图形化输入,适用于管片通缝和错逢拼装计算。该软件已经得到了广泛的应用,为工程设计人员和科研人员提供了有力的工具,极大地提高了设计人员的生产效率。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明：该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。     

穿黄工程盾构隧洞衬砌结构计算模型研究

根据南水北调中线穿黄工程的具体特性，在分析总结目前国内外盾构法隧道结构计算模型的基础上，建立了一种能反映地层与衬砌相互作用，描述装配式管片接头受力机理及双层组合衬砌联合受力特征的不抗拉杆系结构分析模型。计算成果同其它计算方法和结构试验的成果比较表明，该模型较好地解决了穿黄工程盾构隧洞结构设计设计中的一些复杂的技术问题，计算方法简便，实用，可靠性高，易被工程设计施工技术人员掌握。