盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究

在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。

圆形盾构隧道衬砌管片的计算分析

盾构法以其安全、快速等优点在我国地铁隧道施工中得到了越来越广泛的应用,但其施工成本相对较高,其中管片造价占盾构隧道总施工费的30%以上。因此,合理地进行盾构隧道管片设计对于控制工程造价具有举足轻重的作用。文章结合工程实例,从荷载、土层参数等方面,采用当前地铁盾构隧道衬砌管片设计计算普遍采用的(修正)惯用法,对管片受力进行了分析研究,得出了一些有助于管片结构设计的结论。

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。

圆形盾构隧道衬砌管片的设计计算方法

对当前国内外常见的管片设计计算方法进行了综述,并对设计中普遍采用的惯用法进行了理论推导,结合工程实例进行分析研究,得出了一些有益的结论。

富水砂层地下水位变化对盾构隧道衬砌结构的影响分析

利用Plaxis软件建立有限元模型,分析富水砂层地下水位升降速率对区间盾构隧道衬砌内力的影响。结合南昌地下水位升降规律拟定若干工况,通过将模拟结果与监测数据进行对比分析,验证了模型的正确性,并对各工况下隧道衬砌结构内力进行对比分析。研究结果表明:地下水位上升则衬砌弯矩减小,地下水位下降则衬砌弯矩增大;地下水位升降速率不同对衬砌结构的弯矩影响不同,当水位升降速率大于0.33 m/d时,速率越大对衬砌弯矩影响越大,且下降过程对衬砌弯矩影响大于上升过程。

考虑接头真实性能的盾构隧道衬砌结构计算模型与混合分析方法

由于接头的存在,盾构隧道衬砌结构分析面临巨大的挑战。基于接头处的位移量测数据,混合分析方法可以有效地降低衬砌结构分析的复杂程度。但对于设计阶段的盾构隧道,接头处的位移量测数据是未知的。为此,文章基于圆形拱的线弹性理论的解析解,结合接头的线性刚度模型,针对盾构隧道衬砌结构的设计,提出了一种解析计算方法。为了验证线性接头刚度模型的适用性,该种解析方法被应用于盾构隧道衬砌结构足尺试验的分析并将相应的结构分析结果与已经发表的混合分析方法所得结果进行对比。结果表明:基于线性接头模型的结构分析能较好地计算内力的分布;在位移方面,该方法的预测精度尚有不足。

温度-围压作用下盾构隧道衬砌应力变化规律研究

为分析围岩压力和温度变化对盾构隧道衬砌应力变化的影响。文中推导了衬砌应力计算公式,并利用所得公式采用MATLAB绘制了衬砌应力变化图,对衬砌应力变化规律进行了理论分析。结果表明,①衬砌各方向应力随围岩压力的增大而线性增加;②径向与环向应力随内外壁温差增加,压应力逐渐减小到0 kPa后转变为拉应力并逐渐增大,纵向应力基本不随温差而发生改变;③当温差为正时,径向拉应力和纵向压应力逐渐减小,环向压应力减小到0 kPa后转变为拉应力逐渐增大,当温差为负时,径向压应力减小,环向和纵向压应力随半径增加而变大。分析得到的衬砌应力变化规律可为隧道支护结构设计提供参考。

盾构隧道衬砌结构裂缝演化规律及其简化模拟方法

裂缝是盾构隧道衬砌结构的主要病害之一,裂缝的存在严重地影响着衬砌结构的服役性能。为了研究盾构隧道衬砌结构裂缝的演化机制,结合衬砌管片的偏心加载试验,采用多尺度模型模拟了偏心加载过程中衬砌管片裂缝的演化,并对试验和多尺度模型得到的裂缝演化过程进行了对比分析。分析表明:随着加载,裂缝经历了从无到Ⅰ型裂缝的扩展,Ⅰ型裂缝主要沿着径向扩展,最后到Y型裂缝出现;开裂后的混凝土表现为环向径向横观各向同性,衬砌管片力学性能随着裂缝的演化逐渐退化,其退化主要是在环向方向,并且与裂缝特征及其空间位置有关。以此为基础,通过ABAQUS子程序USDFLD来实现衬砌管片环向力学参数随裂缝深度及其空间位置的变化,并将计算结果与多尺度模拟结果进行对比,结果表明提出的简化模拟方法能够简便准确地考虑裂缝演化对衬砌结构力学性能的影响。

拼装式增强结构加固盾构隧道衬砌力学特性研究

以济南地铁某隧道工程为背景,采用数值模拟方法,首先确定拼装式增强结构加固盾构隧道衬砌的最佳预应力施加方案,其次在增强结构采用最佳预应力施加方案下,对不同加载时机和不同预应力值工况下衬砌变形和内力进行了分析。研究结果表明,增强结构施加预应力后可立即减小隧道衬砌整体变形并改善衬砌受力,且预应力越大效果越好;增强结构施加相同的预应力时,施加时机越早,衬砌整体变形越小,衬砌受力的改善效果越好。同时,对于衬砌已发生大变形时,增强结构可通过增大预应力来达到早期施加增强结构所产生的改善效果。

盾构隧道双层衬砌结构弯矩分配的解析模型

考虑盾构隧道双层衬砌结构中二次衬砌的结构性功能,研究盾构隧道双层衬砌结构弯矩分配特性,推导了弯矩分配比例的解析表达式。并采用有限元方法数值模拟了盾构隧道双层衬砌结构3个典型的例子,将解析解与有限元数值模拟结果相比较,验证了所推导解析解的正确性。研究表明,二次衬砌混凝土的所分担总弯矩与初次衬砌管片所分担总弯矩的比,近似等于各自截面惯性矩的比。在常规设计的双层衬砌厚度条件下(管片厚度h_1=0.5m,二次衬砌混凝土厚度h_2=0.2m),初次衬砌管片所分担总弯矩94%以上,而二次衬砌混凝土所分担总的弯矩仅仅占6%以下,二次衬砌对结构的承载能力贡献较小。

盾构隧道通、错缝拼装管片受力及变形比较

通缝、错缝管片在国内盾构隧道施工中均有运用,关于两种衬砌形式孰优孰劣的争论一直存在。基于两种衬砌的结构特征,采用修正的地层弹簧模型,结合南京地铁一号线的工程实例,对通、错缝拼装隧道衬砌使用阶段的受力及变形进行了对比分析。得出了一些有益的结论,为设计施工提供参考。

大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析

在对盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型法进行详细阐述的基础上,以长沙某过江隧道工程为研究对象,借助ANSYS有限元软件APDL语言编制了修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型法的计算程序,并分别对不同分块方案时管片环最大变形量、轴力、弯矩及剪力等的大小、分布规律进行了系统研究,以探明不同设计方案、计算分析方法下的管片环内力分布,为工程优化设计提供参考。

大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析

在对盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多绞圆环法和梁—弹簧模型法进行详细阐述的基础上,以长沙某过江隧道工程为研究对象,借助ANSYS有限元软件APDL语言编制了修正惯用法、多绞圆环法和梁—弹簧模型法的计算程序,并分别对不同分块方案时管片环最大变形量、轴力、弯矩及剪力等的大小、分布规律进行了系统研究,以探明不同设计方案、计算分析方法下的管片环内力分布。

溶洞对地铁隧道开挖稳定性影响的数值分析

利用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS,对深圳轨道交通3号线区间地铁建设中的围岩稳定性进行三维数值分析,探讨了溶洞的不同分布位置、溶洞的尺寸大小及溶洞与隧道间的不同净距对地铁施工过程中围岩稳定性的影响。分析结果表明:上述各种因素对隧道周边围岩的变形、安全系数、土层塑性区和主应力的分布以及隧道衬砌环的弯矩分布等均有较大影响。当隧道拱腰侧面溶洞较大时,施工中应加强溶洞自身稳定的处理,以保安全。研究结果目前已用于实际工程的建设中,且对其他类似区域的盾构隧道施工有参考价值。

盾构管片计算方法研究

首先对比分析了修正的惯用设计法、梁—接头元连续和不连续模型。然后通过对深圳水库流域污水通道盾构管片进行受力及配筋计算,得出曲梁—接头元不连续模型比修正的惯用设计法、梁—接头元连续模型更为经济、合理。

构造参数对腐蚀作用下双层衬砌盾构隧道影响探究

文章以大连地铁5号线跨海段隧道为背景,探究构造参数对腐蚀劣化条件下双层衬砌盾构隧道受力性能的影响。首先调研已有结构腐蚀的相关研究,得到腐蚀劣化条件下模量衰减率的计算模型,再取5号线典型断面参数建立有限元模型,据此分析管片接头刚度和内层衬砌厚度改变时,双层衬砌盾构隧道的力学性能与腐蚀劣化程度关系曲线的变化规律。结果表明:(1)外管片接头刚度增加,内层衬砌承担荷载向外管片转移,结构变形减小,结构对劣化敏感度增加;(2)内层衬砌厚度增加,其与外管片弯矩均明显提高,而对拱顶沉降影响不大;(3)各时程关系曲线均在35~37 a出现拐点,应将该点作为确定结构寿命的重要考虑因素。

高荷载水平下管片接头影响的度量原理

为对比高荷载水平对管片接头的影响,对管片接头非线性转动所导致的弯矩偏转现象进行了阐述,首次提出基于弯矩偏转现象测度管片接头效应的基本原理,并对该原理的实现方法、实际效果校验等开展了研究,研究表明:(1)高荷载水平下,单个管片接头对整环弯矩的影响程度可通过其对整环弯矩总量的贡献大小予以度量,单个管片接头对整环弯矩总量的贡献量即为该管片接头的偏转弯矩;(2)将偏转弯矩作为度量尺度具有物理意义明确、可进行加减运算、与结构极限承载力关联等优点;(3)采用增量法+弯矩搜索法计算偏转弯矩的最大误差小于3%;(4)高荷载水平下,管片接头对整环弯矩影响大小与其转动刚度的非线性程度相关,非线性越严重,则其对管片弯矩影响更大。

拼装式增强结构在济南地铁盾构隧道结构中的应用效果研究

随着运营年限的增加,盾构隧道病害会逐渐增多,其中,盾构隧道衬砌的收敛变形过大是其主要病害之一。内部加固技术是目前治理盾构隧道收敛变形过大的主要手段。文章以济南地铁为工程背景,通过数值模拟方法探讨了拼装式增强结构施加后的力学特性及加固时机。研究结果表明,在顶部加载和侧方卸载工况下,施加的拼装式增强结构与盾构衬砌形成复合体系后,相比未施加增强结构的衬砌结构,其收敛变形减小,且拼装式增强结构施加越早,对衬砌结构收敛变形的限制效果越好。