考虑土体剪切与接头剪切效应的盾构隧道纵向变形计算模型

针对紧接盾构隧道或盾构穿切桩基工程中附加外力作用下的盾构隧道纵向非均匀变形和受力问题,利用计算解析方法,将盾构隧道视为置于Pasternak双参数地基上的铁摩辛柯梁,同时引入修正等效连续化模型和传递矩阵法,提出一种新的盾构隧道纵向变形计算模型,并采用室内模型试验的方法进行验证。结果表明:模型试验中,在集中荷载与围压共同作用下,整个隧道处于弹性变形阶段,各环管片收敛变形、拱顶和拱底竖向位移、环缝错台量均随集中荷载的增加而近似线性增大,并以集中荷载为中心沿纵向呈对称分布,变形趋势与计算结果相同,且2种方法下环缝错台量最大相对误差仅为8.75%;2种方法得到的结果在分布特征和量值上基本一致,验证了计算模型的可行性。该计算模型能够反映土弹簧间的剪切作用、收敛变形对隧道纵向变形刚度的影响及接头的非连续性,可对盾构隧道纵向变形和内力进行预测分析,并为紧接盾构隧道工程中既有盾构隧道的安全评估提供理论指导。

盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法研究

为探明隧道盾构注浆荷载作用引起带榫管片水平轴线偏移规律,以小曲率半径盾构隧道为例,分析壁后注浆引起管片上浮的诱因,考虑管片环“椭圆化”变形、纵向连接螺栓预应力、环缝影响范围和横向刚度等综合因素的影响,建立榫杆连接条件下带榫环缝的管片单元纵向等效抗弯刚度有效率计算式,并通过计算盾构注浆荷载作用下带榫管片的静态和动态上浮力,构建盾构注浆荷载作用下带榫管片上浮力计算表达式,由此分析小曲率半径隧道盾构注浆荷载作用下带榫管片受力情况及其在文克尔弹性地基梁假定条件下受上浮力作用的挠曲变形规律,建立盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法,并依托实际工程加以验证。结果表明:该文理论值与模拟值和监测值均拟合良好,该文计算方法具有良好的工程适用性,可为盾构隧道工程及其类似工程中注浆荷载作用下管片偏移及错台问题提供有效的理论指导。

考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解

为反映外荷载下盾构隧道相邻环间张开和错台,提出考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解答。首先,引入纵向梁-弹簧模型模拟盾构隧道纵向受力变形,其中采用Timoshenko短梁考虑隧道环段变形,引入转动和剪切弹簧分别模拟环间接头转动与错台。其次,构建弹性地基上纵向梁-弹簧模型的有限差分方程,以解决环间接头-管环非连续变形求解问题,并推导外荷载下既有盾构隧道的纵向变形公式。最后,建立新建隧道上穿和下穿引起既有盾构隧道的纵向变形解答,并与新建隧道上、下穿越工程案例及现有理论方法对比验证。研究结果表明:所提方法预测的隧道位移与Timoshenko连续梁模型,协同变形模型和实测数据均具有较好的一致性,但所提方法得到的环间错台略低于Timoshenko梁模型和协同变形模型;所提方法可考虑环间接头的影响,得到的隧道位移曲线呈现既不光滑也不连续的特征,其中环段变形以刚体位移为主,而环间接头主要发生转动和错台;而基于现有理论所得盾构隧道纵向位移均为连续曲线,无法反映环间接头的真实转动与错台位移。

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.

考虑轴力影响的盾构隧道纵向地震响应解析

如何合理估算盾构隧道的地震响应,一直是业界和学界关注的研究热点。相较于横断面地震响应,盾构隧道的纵向地震响应更为复杂。将盾构隧道视为Winkler地基上的Timoshenko梁,考虑轴力影响,包括残余轴力和纵向地震附加轴力,提出纵向与横向地层位移共同作用的理论计算模型,并通过有限差分方法求解盾构隧道纵向地震响应。依托常规6.2m级错缝拼装的盾构隧道进行算例验证,考虑轴力影响使得盾构隧道整体刚度得以提高,内力与变形响应均有所减小;若不考虑轴力影响,则可退化为传统计算方法。进一步地,通过参数敏感性分析探讨了隧道残余轴力、地基反力系数、地震波入射角及波长对盾构隧道纵向地震响应的影响规律。结果表明:残余轴力越大,等效梁整体刚度提升越大,盾构隧道地震响应越小;且入射角小于45°时,残余轴力对隧道地震响应的影响更加显著。地基反力系数越大,隧道整体挠度和环间局部非连续变形均越大;波长在20~100 m范围内的地震波更容易导致隧道环缝间发生较大的张开和错台。以上研究成果可为盾构隧道纵向抗震设计提供理论支撑。

综合物探方法在跨江盾构隧道勘察中的应用

沱江水下盾构隧道于沱江大桥与滨江大桥之间穿越沱江,该隧道工程系区间重难点项目,工程建设标准高,需要对沱江的水下地形及地质条件进行高精度全面勘察,本研究旨在为江上地质勘察提供实际案例,并为该隧道工程的施工提出合理建议。针对沱江水下盾构隧道的特点,先后采用多波束声呐勘测、水上高密度电法、水域瞬变电磁法3种物探方法,通过多波束声呐勘测,可获取准确的水下河床地形等信息;通过水上高密度电法与水域瞬变电磁法,可揭示江水下地层分布情况及物探异常区域,并对水上钻探的布置提供指导;钻孔取芯结果可提供关于隧道洞身围岩的准确信息,并验证综合物探方法揭示的电性异常区域。研究结果表明,3种物探方法的综合运用能准确定位地质异常区域,通过多种物探方法的综合对比和相互佐证能提高地质信息解译的可靠程度;综合物探方法和钻孔相互验证,能为水下盾构隧道的设计施工提出合理建议。

迈步液压支架优化设计数值模拟研究

为解决液压支架工况受力大的问题,文章利用数值模拟软件对液压支架顶梁与底座两端中受载、顶梁偏心受载且底座承受扭转载荷、顶梁偏心受载且底座两端受载三种工况下的应力进行分析,给出了应力集中点后,对液压支架进行优化设计,然后对优化后的液压支架受力情况进行分析。分析发现:经过优化后支架的工况受力有了明显的改善,证明该优化方案可行,所研究内容可为矿井液压支架优化设计提供有力参考。

液压支架掩护梁的优化设计及其实践应用

掩护梁结构是液压支架的主要承力结构件,对其开展优化设计能显著提升液压支架的设计水平。以ZY5000/8.5/16型液压支架的掩护梁为例进行分析,在概述液压支架及掩护梁结构的基础上,利用ANSYS软件建立仿真模型,分析发现掩护梁的安全系数很高,有很大的轻量化设计空间。选择掩护梁的10个关键结构尺寸作为优化对象,以最大变形和等效应力为约束条件,以总质量为优化目标,通过优化使得掩护梁整体质量减轻了17.6%。将新的掩护梁部署到煤矿工程实践中,经过一段时间的应用发现整体运行稳定,验证了轻量化优化设计的有效性。

基于内聚力模型的盾构管片承载能力测试方法分析及评估:以福州滨海快线地铁项目为例

盾构管片的结构性能对于盾构法施工隧道的安全及正常服役有着至关重要的作用,因此有必要对盾构管片的受力性能进行详细的研究及了解。目前,针对盾构管片结构承载能力的试验测试方法主要有原型管片测试法以及更为经济的对称倾角梁测试法。为研究对称倾角梁所得的盾构管片承载性能与实际原型管片承载性能间的关系,基于内聚力模型,考虑混凝土缝间摩擦以及钢筋-混凝土界面法向分离,分别建立了混凝土潜在断裂面以及钢筋混凝土界面本构模型,提出了一种适用于盾构管片承载力分析的钢筋混凝土结构断裂损伤全过程数值分析模型,并基于已有的盾构管片原型试验对模型进行了检验。最后,基于福州滨海快线地铁项目所用的典型管片,采用已建立的模型分析了原型管片试验与对称倾角梁试验所得管片承载力间的关系,并对结果进行了分析及评估。

盾构施工上跨基坑段龙门吊轨道梁设计方法

以东莞莲花山-芦花坑水厂段原水管道工程(主体段)第一标段L1工作井龙门吊轨道梁为研究背景,进行了在场地限制条件下,轨道梁安放问题的研究,提出了使用一种跨越基坑段钢混梁结构的施工方法,并利用RBCCE有限元分析软件对受力进行了验算分析。研究表明:跨越基坑段采用6排单层Ⅰ40a+0.6×0.5(高×宽)混凝土梁作为轨道梁,跨度为19.2 m,共计24 m长,下方采用3根∅609×14 mm钢支撑作为结构立柱,钢管中心最大间距为6 m,高度为22.10 m,达到了满足走行龙门吊及地基承载力要求的效果,解决了轨道梁安放问题。研究方法可为类似工程提供参考。

大直径盾构隧道盾构井环框梁设计分析及构造措施

大直径公路隧道盾构井在施工阶段承担着盾构机吊装、盾构掘进始发和接收的重要功能。后期运营阶段盾构井承担隧道运营、设备布置、故障检修、事故安全疏散等多种工况的功能要求。本文以深圳妈湾跨海通道盾构井为研究对象,结合盾构法地下快速路的特点,针对大直径公路隧道盾构特点设计盾构接收井结构。利用Midas Civil有限元软件建立荷载-结构法盾构井三维计算模型,分析了盾构接收井在盾构吊装阶段、施工后浇结构及后期运营阶段的环框梁受力特点,同时总结了大直径盾构井环框梁构造措施,对于以后指导大直径盾构井结构设计及施工有重要意义。

大熔深焊接技术研究及其应用进展

大熔深焊接技术作为一种新型的焊接技术,其对于厚板或者中厚板焊接质量的保证和生产效率的提高有着极其重要的意义。因此,制定一套大熔深焊接技术工艺规范,生产相应的焊接设备是从事相关研究工作人员的主要目标。目前大熔深焊接技术主要分为两大类:以激光、电子束为主的高能束深熔焊,以及在传统的气体保护焊基础上升级而来的高效大熔深焊接技术。从应用背景、产生过程以及技术特点等方面综述了这两类大熔深焊接技术的研究进展,为相关研究工作提供一定的参考。

三线盾构隧道渐次掘进扰动影响分析

对于三线并行盾构隧道,后行隧道多次侧穿会对已建先行隧道造成扰动影响.基于Mindlin解,采用两阶段分析法,得到了先行隧道在两次盾构平行跨越下的水平附加位移解析解.与国家科学中心核心创新项目上海硬X射线三线并行盾构隧道现场监测数据进行对比,验证了方法的有效性.对三线隧道水平净距、结构纵向刚度、地层损失率及地层剪切模量进行了影响因素参数分析,研究结果表明:先行隧道在后行隧道平行跨越关键断面下产生的水平附加位移峰值与并行隧道水平距离、隧道结构纵向刚度、地层剪切模量成反比,与地层损失率成正比.研究成果可为合理预测后行隧道侧穿施工对已建先行隧道的影响提供一定的理论依据.

大连先进光源束流垃圾桶屏蔽设计及热工分析

基于蒙特卡罗模拟软件FLUKA和有限元软件COMSOL对大连先进光源(DALS)束流垃圾桶的设计进行了初步研究。采用FLUKA软件进行了束流垃圾桶和主体建筑的建模,理论公式和模拟计算保证径向和轴向束流垃圾桶沉积能量在99%以上,计算中引入减方差技巧,降低计算结果的统计误差,相应的计算结果的误差在5%以内。同时计算给出侧墙和顶板位置的辐射剂量率的大小,侧墙两边的剂量率大小分别为1.84μSv/h和1.15μSv/h,顶板位置处的剂量率大小约为1.14μSv/h,保证了工作人员的安全与健康。利用COMSOL软件计算束流入射情况下束流垃圾桶的温度分布和热应力的大小,得到稳态情况下束流垃圾桶的最高温度为55.1℃,最大热应力大小为54.5 MPa,小于材料的熔点和屈服强度,保证束流垃圾桶在装置运行过程中的稳定性。

盾构下穿引起的既有隧道沉降变形研究

新建盾构隧道下穿会对既有隧道周围土体产生扰动,导致既有隧道产生较大的沉降变形.针对该工况,基于两阶段分析法,提出一种理论解析方法,以预测新建盾构隧道下穿引起的既有隧道的沉降变形.利用简化的随机介质理论,求解新建隧道开挖引起的土体自由沉降,并将该沉降施加于既有隧道之上.将既有隧道简化为Timoshenko梁模型,利用Vlazov地基模型模拟隧道-土的相互作用,构建盾构下穿作用下既有隧道的沉降变形微分方程.利用有限差分法对沉降变形微分方程进行求解,得到既有隧道在盾构下穿作用下产生的沉降变形解答.结合两个工程案例,将理论解析结果与实测数据进行对比,验证了所提出的理论解析方法的合理性.对影响既有隧道沉降变形的三个关键参数进行分析,结果表明:既有隧道最大沉降与地层损失率之间呈线性关系,地层损失率越大沉降也越大;随着隧道夹角的减小,既有隧道的变形范围显著增大;增大新旧隧道轴线距离,能够显著减小隧道沉降.

大束流阳极层离子源的阴极刻蚀现象及消除措施

阳极层离子源可输出高密度离子束流,广泛用于等离子体清洗和辅助沉积,但大束流下内部易发生放电击穿,且大量离子轰击内外阴极导致明显刻蚀,易造成样品污染.本文提出阳极环绕磁屏蔽罩和内外阴极溅射屏蔽板的设计方案,并仿真研究了其对离子源电磁场和等离子体放电输运的影响.发现阳极环绕磁屏蔽罩可切断离子源内部阴阳极间的磁场回路,消除打火条件.内外阴极溅射屏蔽板选择溅射产额低且绝缘性能好的氧化铝,既可阻挡离子溅射,又能屏蔽阴极外表面电场,使等离子体放电向阳极压缩,在抑制阴极刻蚀行为的同时提升离子输出效率.当距离阴极外表面9 mm时,溅射屏蔽板的作用效果最优,不仅能获得稳定放电和高效输出,还可大幅削弱阴极刻蚀行为并减少污染.实验结果显示:改进离子源无内部打火,输出高效且清洁,相同电流下离子输出效率较原离子源实际提高36%;玻璃基片在经过1 h清洗后,表面成分几乎不变,来自阴极溅射的Fe元素含量仅为0.03%,比原离子源低2个数量级,含量约为原离子源的0.6%,实验结果验证了理论分析.

综放开采顶煤放出体理论计算模型

从理论上描述了综放开采顶煤放出体的形态及影响因素,引用散体介质力学中的Berg-mark-Roos模型(B-R模型),考虑了综放支架对顶煤放出过程及放出体的影响,通过散体顶煤三维放出相似模拟和PFC3D数值模拟,得到了重力加速度修正系数K,对B-R模型进行了改进,改进后的模型可以准确描述顶煤放出过程,得到了顶煤放出体理论形态。支架掩护梁-散体顶煤和顶煤-顶煤之间摩擦因数f的差异会导致顶煤放出体左右两侧散体颗粒临界运移角度θG的不同,使放出体向支架前方超前发育,这一放出体理论形态与BBR研究中顶煤放出体呈"切割变异椭球体"的形态相吻合,使用该理论模型可预测不同顶煤厚度条件下的放煤时间。

冲击载荷作用于掩护梁对液压支架的影响分析

为研究液压支架掩护梁受到冲击载荷之后对支架运动趋势、受力状态以及掩护梁结构的影响,利用多体动力学分析软件ADAMS建立支架的数值仿真模型。模型中掩护梁通过Hypermesh前处理软件进行柔性化设置,立柱与平衡千斤顶由弹簧阻尼系统等效替代,其中立柱刚度设置为变刚度,支架初撑力由立柱等效弹簧预载荷提供,顶板压力采用某静载荷垂直施加于顶板上方,直接顶和基本顶岩块垮塌砸落于掩护梁所产生的冲击载荷由某阶跃载荷进行模拟。基于上述模型,分析了冲击载荷作用于掩护梁不同位置时,顶梁水平前移变化、顶梁与顶板接触力变化、各处铰接点力变化以及掩护梁应力变化,结果表明,载荷作用位置不同所引起支架的各种变化趋势也不同。这可以对支架的稳定性控制和结构强度设计提供参考。

液压支架主要承载构件焊接残余应力对比分析

针对综合机械化采煤工程中的安全性问题,以高强钢液压支架的掩护梁和底座为研究对象,应用X射线法对焊后及热处理后的残余应力水平进行评价.对液压支架掩护梁和底座在焊接后热处理后进行两次残余应力现场实测,分别选择各构件特殊部位6～10个区域(40多个测点)进行研究,定量给出了残余应力的总体水平及应力分布规律.结果表明,焊接后底座应力水平普遍高于掩护梁,最高应力为429.4 MPa(0.62ReL),掩护梁最高应力为348 MPa(0.50ReL).经过整体热处理,残余应力明显下降,底座及掩护梁残余应力最大值降幅为37%及71%;平均值降幅为46%及76%,新型热处理工艺对降低焊接残余应力有显著效果.

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。