洞桩法地铁车站施工力学行为及其修正荷载-结构模型研究

受周边既有建筑物的影响,对地下车站施工的要求较高。洞桩法因其施工安全可靠、对周围环境影响较小等优点,在复杂建(构)筑物环境中得到了广泛的应用。然而,洞桩法施工力学行为复杂,采用常规荷载-结构模型进行洞桩法地铁车站结构设计时,其内力分析结果与实际内力具有一定的差异,由此可能导致结构设计不合理。文章依托北京地铁某洞桩法车站工程,开展了洞桩法施工力学行为模型试验研究与数值模拟分析,揭示了洞桩法地铁车站施工过程中中柱、边桩以及顶拱等位置的内力变化特点,基于荷载-结构模型,提出了洞桩法地铁车站力学分析的修正荷载模式及其对应的荷载-结构模型。

洞桩法边桩变形的荷载-结构模型

掌握边桩的受力变形规律对洞桩法车站的安全至关重要.基于修正的荷载-结构模型研究洞桩法边桩变形规律,并与现场实测结果进行对比.结果表明:边桩顶至底板的边桩侧向位移呈抛物线形,底板以下的边桩侧向位移基本为零;导洞初支体系能够承受大部分自身围岩应力,但在计算模型中忽略导洞围岩应力时,应对导洞底部侧压力系数扩大20%;常规荷载-结构模型计算所得的边桩侧向位移整体偏小,经修正的荷载-结构模型计算所得的边桩侧向位移与现场实测数据较为吻合;修正的荷载-结构模型边桩轴力有大幅缩减,边桩剪力和弯矩基本不变.

考虑应力拱效应的隧道荷载-结构模型

针对常用的荷载-结构法模型计算所得的隧道衬砌内力与变形比衬砌实际承受的内力和变形偏大这一问题,以地层-结构法计算所得隧道衬砌受力、变形的结果为参照,通过计算确定拉弹簧与压弹簧分界点的位置以及拉压弹簧弹性抗力系数之间的比例关系,建立一种新的荷载-结构法计算模型,该模型在拱顶设置拉弹簧模拟应力拱效应,其余部位设置压弹簧.计算表明:与传统的荷载-结构法模型相比,考虑应力拱效应的荷载-结构模型在拱顶处设置的拉弹簧可以明显地改变隧道衬砌在拱顶处的受力情况;拉弹簧设置范围内隧道衬砌受力改变比较明显,在压弹簧范围内,离拉弹簧越远处隧道衬砌受力的改变越小;拉弹簧弹性抗力系数与压弹簧弹性抗力系数之比在1/2～2(深埋)、1/3～2/3(浅埋)时,考虑应力拱效应的荷载-结构计算模型对隧道衬砌弯矩的计算结果与用地层-结构模型计算的隧道衬砌弯矩趋于一致,但在数值上两者并不相等,荷载-结构法的计算结果要比地层结构法的计算结果大.

荷载-结构模型在黄土隧道二次衬砌设计中的应用

目前,隧道结构设计所采用的计算模型主要有两类:一是岩体力学模型,二是荷载-结构模型。对于荷载-结构模型来说,他是否接近实际,关键是对支护结构所受荷载大小及分布形态的正确估算。为此,针对修建在黄土这一特殊地质条件下的复合式衬砌隧道,采用两种不同的荷载模式对二次衬砌进行计算,得到了黄土隧道二次衬砌较合理的荷载模式,这为以后类似的工程积累了经验。

基于荷载-结构模型对开裂二衬结构的安全性评价

以兰新高铁祁连山隧道二衬裂纹为研究对象,根据铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定,对隧道主要裂缝进行安全评价,给出安全等级;同时基于荷载-结构模型理论,应用ANSYS有限元分析软件,对开裂缺陷二衬结构进行承载力计算,得出加固补强前隧道抗压、抗裂安全系数,可为类似隧道二衬裂缝结构的安全性评价以及加固治理提供参考。

荷载-结构模型常用内力计算方法对比研究

为做好地铁工程隧道设计,介绍了地下结构计算中常用的荷载-结构模型,提出了管片内力的4种计算方法,即惯用法、修正惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型法,并进行了4种计算方法的对比,得出修正惯用法为常用方法。

荷载结构模型在拱顶空洞存在情况下的修正

文章以拱顶空洞为例,首先采用模型试验研究了空洞存在下空洞临近范围作用于衬砌结构上的围岩压力荷载的重分布,在此基础上提出了拱顶空洞存在下荷载-结构模型的修正方法,并加以算例分析。得到如下结论:(1)空洞的出现引起空洞临近范围围岩压力荷载的重分布,在空洞两侧出现明显的应力集中;应力集中区的围岩压力荷载先增大后减小。(2)基于围岩压力荷载重分布的研究结果,提出了一种荷载结构模型的修正方法,经算例验证其计算结果与其他文献中室内模型试验的结果一致。(3)在空洞存在的情况下衬砌结构安全性评价中采用修正荷载结构模型比没有修正的模型更利于降低管理风险。

基于荷载-结构法隧道二衬结构安全分析

本文以江西省新余市某隧道为工程背景,针对二次衬砌施工过程中存在的钢筋数量达不到设计要求等质量问题,对工程存在的安全风险进行分析,根据相关规范确定结构安全的控制指标,在此基础上通过建立荷载-结构模型,运用有限元数值模拟软件对结构的受力进行计算分析,并对结构的安全性作出评价,提出后期维护的改进措施建议,为隧道类似质量问题评价及维护提供参考.

膨胀岩土地层盾构隧道管片结构荷载及内力特征

选取成都地铁2号线ZCK40+805.8隧道断面为目标断面,在管片上布设土压力盒、水压力计和混凝土应变计,对具有弱膨胀性的强—中风化泥岩地层盾构隧道施工过程中管片结构的荷载及内力特征进行跟踪测试。分析测试数据可知:脱环初期管片结构水压力变化较大,在管片拼装60环后,水压力开始缓慢增加,隧道贯通后的最终水压力低于理论静水压力;管片结构土压力的实测值小于理论值,它反映了注浆层、地层水土压力等因素对结构主体的共同作用;管片结构内力的稳定需要时间较长,最大内力值出现在隧道贯通后。管片结构内力的实测值与理论计算值的对比分析表明,在该地层中应用荷载—结构模型进行管片结构内力分析时,若采用水土合算方法计算荷载,无须考虑地层膨胀力的作用。

地铁明挖车站-市政桥梁合建结构的关键技术研究

地铁明挖车站和市政桥梁合建时,为同时满足2种不同类型构筑物的安全和使用功能要求,需对其中的关键技术难题进行分析研究,以采取合理可行的结构形式。依托成都地铁白佛桥明挖车站与其上部市政桥梁的建设,总结国内类似工程经验,根据工程特点确定桥梁承台与地铁车站顶板进行固结连接,桥梁跨度与地铁车站框架柱跨进行匹配,同时桥墩避开地铁车站端头井、换乘节点等复杂结构受力区域进行布设;建立三维荷载-结构模型,计算分析上部桥梁荷载对地铁车站结构构件内力及变形的影响,并根据计算结果,对桥墩影响范围内的车站顶底板和侧墙的厚度及配筋进行增强,桥墩轴线下方的地铁车站框架柱采用型钢-混凝土组合结构,以满足合建结构的承载能力、变形、裂缝控制等要求。另外,选取LS-DYNA软件,采用非线性时程分析法对合建结构进行抗震计算分析,计算结果显示:车站板、墙、梁等构件在支座处出现应力集中现象,各结构构件的承载力强度及变形均满足规范要求。

“荷载增量法”在地下车站结构计算中的运用——采用SAP84有限元程序模拟施工过程进行计算

本文以一个地铁车站的计算分析过程来讲述用“荷载增量法”模拟施工过程并采用SAP84有限元程序建立荷载-结构模型的内容,总结一些要点,供大家设计时参考与指正。

厦门第二东通道现浇隧道结构托换运营BRT桥桩受力体系转换研究

为分析利用现浇隧道结构托换运营桥梁时托换荷载的传力路径及受力体系转换规律,基于厦门第二东通道(翔安大桥)枋钟路明挖暗埋隧道下穿运营BRT高架桥工程实例开展研究。建立桥墩竖向位移、隧道结构及桩基钢筋应力的自动化监测系统,分析承台和桥墩沉降,以及隧道顶板、中侧墙、底板及隧道中墙处端承桩受力,揭示托换荷载传力路径及隧道结构受力体系转换规律;建立考虑预应力的荷载-结构简化计算模型,计算托换荷载下隧道结构内力变化,并分析预应力作用。结果表明:1)两托换桥墩分别产生3.30、4.22 mm沉降,受桥面刚度影响,邻近桥墩先于托换桥墩产生沉降;托换后,桥墩会在一定时间内持续产生缓慢沉降并趋于稳定。2)托换后桥梁荷载并非由隧道整体承担,其主要荷载由托换侧隧道顶板通过中墙和邻近侧墙传递至桩基上;底板不承担主要荷载,远离侧侧墙也不分担主要荷载。3)所建立考虑预应力的隧道荷载-结构简化计算模型变形和受力计算结果与实测值基本吻合,对比不考虑预应力时,预应力索抵抗了约25.7%的沉降。

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载—结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点。结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩。基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计。

TBM隧道豆砾石-地层抗力系数计算方法研究

豆砾石回填与灌浆技术在护盾式TBM施工的隧道中获得了广泛应用,但是豆砾石填充层对地层抗力系数以及管片结构受力的影响有还有待研究。本文利用厚壁圆筒弹性应变理论和温克勒假设,首先建立轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式并对影响该公式的因素进行了分析。在此基础上,考虑了豆砾石填充层的非均匀分布,建立了非轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式。研究表明:(1)是否考虑豆砾石填充层的存在以及豆砾石填充层是否均匀分布对地层抗力系数具有重要影响;(2)不同岩性条件下,豆砾石填充层弹性模量均存在一临界值使豆砾石-地层抗力系数的性质发生突变;(3)豆砾石填充层厚度的增加则具有强化豆砾石-地层抗力系数性质的作用。

厦门海底隧道明洞回填前后结构安全性分析

为分析评价厦门海底隧道明洞修筑后地基承载力不足引起的结构安全性问题,建立荷载-结构模型,采用ANSYS结构分析软件对回填前后明洞结构变形、受力和安全性进行分析和评估,给出了结构安全系数.明洞结构在回填前是安全的;回填之后,在回填土自重荷载作用下结构安全性不够,回填前应进行地基加固.

地铁隧道复合式结构可靠度简化分析方法研究

应用荷载-结构模型,建立了地铁矿山法区间隧道二次衬砌结构截面可靠度功能函数,根据北京地铁4,5和10号线勘探地质地层物理力学性质统计特征,利用蒙特卡罗方法进行区间隧道结构可靠度分析。探讨了在长期自然环境下复合式衬砌的初期支护与二次衬砌各自的作用,认为二次衬砌承受运营阶段的全部荷载,初期支护的作用仅仅是改善了二次衬砌的工作环境,改善后二次衬砌周围的弹性抗力系数应适当提高,这样处理不仅可简化计算工作,也符合衬砌结构的实际工作情况。

既有地铁结构覆土卸荷后变位及力学分析

卸除既有运营地铁结构上方或周围土体荷载,由于地基抗力势必引起地铁结构向临空方向变位,引起2个方面的问题:1)差异变形对轨道运营的影响;2)变形对地铁结构使用状态的影响。以车站上方开挖基坑为例,采用FLAC3D和SAP2000模拟,分析车站主体结构变形和内力发展规律,评价结构和运营安全受影响程度,为今后类似工程建设提供参考依据。

上方卸载的隧道结构2阶段联合分析方法

为保证上方卸载的隧道结构安全,本文提出2阶段联合分析方法。第1阶段根据隧道上方卸载工况建立三维地层-结构模型,计算得到作用于隧道管片的土压力和外侧土体的等效刚度。第2阶段建立三维结构-荷载模型,借助于第1阶段计算得到的土压力和等效刚度,分析管片应力、螺栓应力、收敛变形和接头张开量。某基坑工程北区块位于隧道上方,采用2阶段联合分析方法对该算例进行分析。结果表明,该方法能够较为合理地估算上方卸载引起的隧道竖向变形和收敛变形,应重点关注管片连接部位和腰部内侧的开裂、掉块情况,必要时应进行钢环加固。2阶段联合分析方法充分发挥了地层-结构模型和结构-荷载模型各自的优点,为评估上方卸载的隧道结构安全状况提供思路。

隧道衬砌裂缝对结构受力的影响规律研究

以深圳某区间隧道为研究背景,采用结构-荷载模型,研究了裂缝位置、裂缝深度及裂缝宽度对衬砌结构受力的影响。研究结果表明:隧道衬砌裂缝的产生使结构出现了应力重新分布的现象。当裂缝发生在拱顶位置时,隧道衬砌弯矩、剪力分别呈对称和反对称分布;当裂缝发生在拱肩、中墙或墙脚位置时,随着裂缝深度的增加,衬砌结构弯矩由近似对称向不对称变化,最大弯矩值由仰拱向拱顶部位扩散,左墙脚处出现最大负剪力值,右拱脚或左拱肩处出现最大正剪力值。随着裂缝宽度的增加,衬砌典型位置处弯矩和剪力均减小,当裂缝宽度由5 mm扩大到10 mm时,对单元受力结构影响最明显。随着裂缝深度和宽度的变化,隧道衬砌最危险截面的位置也发生了变化,需要对隧道不同部位加强监测,判断裂缝的发展状况,以保证人员、设备的安全,可为实际工程安全施工和健康运营提供指导。

寒区隧道衬砌刚度分布对冻胀压力的影响

为保证衬砌结构具有合理的安全度,考虑冻胀水体、衬砌和围岩之间的共同作用特征,提出了约束冻胀模型和冻胀压力的理论计算式,并采用考虑围岩抗力的荷载-结构模型求解衬砌刚度分布.在此基础上,以结构安全度为度量指标,探讨了冻胀压力与衬砌刚度之间的关系.结果表明:等厚衬砌断面结构刚度在拱顶及仰拱中部较小,边墙部位较大;增大衬砌厚度使衬砌刚度增大,导致冻胀压力增大,同时也提高了衬砌承载能力;增大衬砌厚度导致的冻胀压力增大不如衬砌承载能力的提高显著,因此,增大衬砌厚度是提高衬砌抗冻能力的有效措施.