类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构设计及参数研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道适用于渡线段的应用,施工过程中施作立柱,在稳定阶段拆除立柱以达到最终运营稳定状态,全过程中存在结构受力机制的变化。为了形成适用于类矩形无立柱隧道结构的设计方法并探究不同参数的影响,有必要开展相关理论研究。方法:明确了类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构在施工、运营全过程所受荷载状态;基于修正惯用法(等效刚度均质环模型)建立设计模型,探究了施工全过程及直接施加运营工况荷载2种不同工况下的结构响应,并与足尺试验结果进行了对比验证。基于设计模型,对侧压力系数、偏载值、结构埋深等多个关键因素开展了敏感性研究,分析了对衬砌结构受力及变形的影响。结果及结论:采用修正惯用法并直接施加最终运营阶段稳定荷载能满足类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的工程设计要求,但需要将设计值放大5%~10%,该结论也得到了足尺试验的支持。不同设计参数对结构响应的影响程度不同,其中单侧偏载和结构埋深对于设计的影响更大,同时进一步揭示了腰部负弯矩接头的薄弱特征。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构力学性能模型研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道结构能适用于隧道渡线段,但缺乏该新型结构的针对性力学性能分析模型,故有必要对此开展研究。方法:基于无立柱盾构隧道原型结构试验结果,初步分析了钢结构管片在设计运营工况下的整体变形及位移特征。进一步采用等效刚度均质环模型和梁-弹簧模型对结构的受荷响应进行了模拟,其中梁-弹簧模型的计算参数通过接头足尺试验来标定。将2种模型的计算结果与足尺试验结果进行对比,分析了不同模型的优劣,给出了不同模型的适用范围。最后,结合力法原理和2种计算分析模型对类矩形无立柱衬砌结构的变形机理进行了分析,探究钢结构管片不同部分的变形贡献。结果及结论:等效刚度均质环模型及梁-弹簧模型均可用于类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的计算分析,其中梁-弹簧模型对于钢结构管片力学性能的模拟更加精确,尤其是在变形方面;等效刚度均质环模型对于钢结构管片响应的模拟精度稍差,但是用于结构设计仍然能保证足够的安全储备。针对结构变形机理的分析表明,类矩形无立柱盾构隧道结构的收敛变形主要来源于管片本体及接头两部分,其中接头变形约其占2/3。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构受力性能足尺试验

目的:类矩形无立柱盾构隧道相比于典型双跨类矩形盾构隧道取消了立柱,因此,亟需探明其结构力学性能、设计关键点和受力薄弱点等情况,以保证施工结构的安全性。方法:基于关键截面内力及变形等效方法设计了试验荷载及对应加载制度,模拟了隧道结构在实际运营工况下的结构受荷状态。试验过程中对结构整体及局部的变形、内力等响应进行了监测,重点分析了结构整体变形、接头变形和螺栓轴力发展过程,并提炼出结构运营阶段力学响应的一般性特征。结果及结论:完成了类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的设计并开发了配套的原型结构试验平台;隧道结构的长短轴收敛变形绝对值之比在2.22左右,说明该结构整体性尚有优化空间;隧道结构的薄弱点在顶底靠近跨中位置的1、5号正弯矩接头和靠近左右侧腰部的3、8号负弯矩接头;结构薄弱部位变形和内力随外荷载上升发展均较快,需要在设计优化及施工运维时给予重点关注。