地铁盾构施工负环管片安全拆除条件及实例研究

盾构始发是盾构工法的重要施工工序之一,也是盾构施工中最容易发生事故的环节,关系到盾构隧道能否顺利掘进与及时贯通。以北京地铁为例研究了地铁盾构施工负环管片安全拆除条件问题,采用FLAC3D进行了三维模型计算分析,分析了负环管片的位移及反力架应力变化情况,实测了盾构始发段的土压力、注浆压力、盾构推力、负环管片位移、反力架应力变化规律;通过数值计算与实际监测结果的比较,给出了负环管片及反力架的安全拆除条件建议。结果表明:当负环管片的相对位移变化量趋近于零、反力架应力值基本趋于稳定时,隧道衬砌管片环与壁厚注浆及围岩之间的摩擦力足以平衡盾构推力,方能拆除负环管片与反力架。数值分析与实测结果相吻合,说明数值计算模型合理,结果可靠。     

基坑放坡开挖对下方既有地铁隧道影响计算及风险预测

为研究基坑放坡开挖对下方既有地铁隧道的影响以及预测隧道结构的风险,通过改进的计算方法得到放坡开挖基坑引起下方既有地铁隧道的竖向和横向附加荷载、位移、相对变形曲率共6个隧道结构安全的物理表现因子;将位移计算结果与前人理论计算结果、实测数据对比验证,并分析各土层物理力学参数对6个因子的敏感性;最后,基于正态分布概率模型对较敏感的土层物理力学参数随机取值,利用蒙特卡罗方法计算6个因子各级风险发生的概率和竖向、横向2类因子综合影响下隧道结构各级风险发生的总概率。研究结果表明:与原来仅限于矩形开挖基坑的计算方法相比,改进后的计算方法适用范围更广、实用性更强;在算例二分析中,隧道竖向位移和相对变形曲率超过控制值的概率分别为12%和68.7%,其余因子均为0,隧道竖向相对变形曲率是隧道结构处于不安全状态的最主要因子;若不采取预防措施,隧道结构将有高达73.27%的概率处于不安全状态,其中有68.7%的概率处于很不安全状态。     

超小净距近接交叉隧道施工安全性研究

为保证超小净距近接交叉隧道施工安全,以盘道岭隧道交叉施工段为研究对象,提出交叉隧道施工优化支护方案。基于超前地质预报方法和围岩地质评级系统,提出交叉隧道节理岩体的地质强度指标(GSI)。采用Hoek-Brown强度准则峰后应变软化模型及数值计算方法,研究下行隧道施工过程中围岩位移场的变化特性。结果表明:数值计算得到的下行隧道拱顶变形量与现场实测结果相吻合;根据现场实测数据分析下行隧道拱顶下沉量和支护压力的相互作用关系可知,用优化支护方案能够保证交叉隧道施工的安全稳定性,数值计算能反映现场的实际情况。     

软弱围岩节理性质对隧道塌方范围影响研究*

为探究节理岩体在节理扩展-节理破坏-岩体失稳过程中的力学特性变化及变形破坏规律,采用块体离散元软件3DEC进行数值模拟,对节理岩体中隧道开挖后围岩的应力变形状态进行研究。结果表明:法向刚度较小时,可能造成的塌方范围大,法向刚度较大时,造成的塌方范围小;节理剪切刚度对隧道塌方范围的影响较小;节理内摩擦角变化对断层塌落体及上覆未塌落体范围的影响较小。     

多层圆管夹芯结构的装甲车底板防爆设计

为提高轮式装甲车防护地雷的能力,寻找能够实现最佳防护效果的装甲结构形式,利用ANSYS/LS-DYNA软件平台,对不同的装甲结构在爆炸载荷作用下的响应进行仿真计算。首先探究多层圆管排列方式对冲击吸能的影响,得出密排圆管结构的抗冲击能力强于齐排和交叉排列的方式。然后在爆炸载荷下对由双层密排圆管组成的夹芯层防护结构进行数值计算,并对比试验结果,验证了所建立计算模型数值模拟结果的有效性。最后由数值计算结果确定了最佳的防护结构。数值模拟和试验结果表明,防护结构的面密度增大,防护效果明显改善;相同面密度的防护结构中圆管的直径越大,圆管的压缩行程越大,防护效果越好。     

巷道顶板三维板梁结构的传力机制研究

为了揭示巷道开挖前后,巷道顶板三维板梁结构内应力场的演化规律,通过建立层状岩层的承载传力力学模型,研究了层间结构面和层状岩体变形对承载和传递应力的扰动作用,提出了层间结构面和层状岩体承载传力的能量分析方法,确定了层状岩体的应力传递和应变能密度解析解,揭示了结构面储能和层状岩体承载传力的影响规律,并在淮南张集矿1412A工作面开展工程应用。结果表明:法向刚度和切向刚度决定了层间结构面的储能能力,法向应力和切向应力决定了结构面的实际储能大小;岩层的承载应力并非等于上部岩层的负重,而是上部岩层的作用应力、自重应力、下位岩层的作用应力叠加的结果;应力传递效率与相邻上下层岩层的容重比呈正相关关系,与层厚比呈负相关关系,与弹性模量比呈负相关关系;1412A工作面开采时,1#煤顶板第1层薄的软弱泥岩无法承载上方岩层的重量,第2层厚的中砂岩可以承载上方岩层及自身重量,载荷应力为0.90 MPa,计算得到该类条件下基本顶初次断裂步距为30.7 m,与现场实测结果基本一致。     

双参数地基中隧道下穿既有管线的显式解析解分析

针对隧道下穿诱发既有管线响应问题，基于Pasternak地基模型推导管线变形控制微分方程，并采用朗斯基行列式和常数变易法给出全定义域内管线挠度、转角、弯矩和剪力的显式解析解。结合工程实例，将该方法所得管线挠度与实测数据及已有文献结果进行对比，对显式解析解的可行性和优异性进行验证。此外，分析了沉降槽宽度参数和剪切层刚度系数对管线响应的影响。结果表明：所提方法给出的管线挠度与实测数据吻合较好；随沉降槽宽度参数增大，管线响应范围扩大，管线挠度增加，管线最大转角先增大后减小，管线最大弯矩值和最大剪力值减小；随剪切层刚度系数增大，管线响应范围受到影响较小，管线挠度在隧道中轴线附近范围增加，管线转角在峰值附近范围增大，管线弯矩最大值和剪力最大值减小。     

管土刚度对地下管线和地表沉降的影响分析及简易预测方法研究

在地层沉降计算理论基础上,通过定义新的管土刚度系数,以打靶法为手段,计算分析管线的沉降变形趋势,从管线抵抗地层沉降变形的效果可通过增加隧道埋深来体现这一思想出发,找到该系数与假想隧道埋深的相互对应关系,进而建立一套地下管线沉降和地表沉降的简易预测公式。通过与数值解的对比分析,进一步验证了其准确性和合理性。该公式计算量小、模型简单,应用范围较为广泛,可用于计算考虑管土刚度后,管线沉降变形和管线与地层之间的脱空,也可用于计算考虑管线抵抗地层作用后的地表沉降变形。     

基于理想点法的盾构隧道管片上浮致伤诊断

为定量化评估盾构隧道施工过程中管片上浮给隧道造成的损伤,作者提出将常见的损伤分为管片间变形、管片裂缝、管片表面剥落、沉降、渗漏水、断面整体变形、螺栓受到过大剪力以及管片受到过大水土压力等8大类。采用相关系数法选取15个底层指标,建立管片上浮致伤诊断指标体系。通过模糊变换对全部底层指标进行量纲一化处理,结合提出的融合赋权方法,构建管片上浮致伤诊断模型。最后,基于理想点法对中国湖南某盾构隧道管片上浮致伤情况进行诊断研究。结果表明,模型能有效评估管片上浮对隧道造成的损伤,诊断结果与工程实际情况及专家论证结果基本相符。     

1种改进的流变模型在层状覆盖层坝基上的应用*

为了深入剖析深厚覆盖层中各层岩土体的流变性对大坝安全稳定的影响机理。探索新的流变元件模型H-KS以适应层状覆盖层坝基,借助Comsol建立数值模型,计算青湾坝安全稳定指标,分析坝基流变对大坝整体的影响。研究结果表明:对于岩性、物理力学性质差异较大的层状覆盖层坝基,采用H-KS流变模型能较好反应大坝应力、变形和渗流实际情况,与监测值对比,误差在5%以内;相比不考虑流变的模型而言,应力、变形分别增大了10%和15.7%,部分增量会影响大坝结构的安全稳定,应予以重视;流变导致大坝整体渗透性降低,粗细粒层孔隙水压力分别减小了约50%和2.5%,加速了流固耦合过程,对于重新评估大坝的渗透性有重要参考意义;由于流变性不同,深厚覆盖层中粗粒土层在变形、应力和渗流方面影响最大,细粒土的贡献相对较小,除了与岩性相关之外,还与土层所处位置、厚度等相关。研究结果可为层状覆盖层上的大坝安全稳定体系的建立提供理论支持。     

考虑动态施工超长管棚预支护力学特性及参数影响分析*

为研究复杂地层超长管棚随动态施工的力学特性和管棚合理化参数,依托某下穿高速公路浅埋暗挖隧道工程,采用数值法进行三维动态建模分析。研究结果表明:管棚挠度曲线呈鱼腹形,拱顶部和拱腰管棚最终稳定在10.7,2.9 mm;管棚各测点轴力经历由受拉到受压的变化过程,通过各测点后受压区轴力逐渐减小,拱顶部动态响应更明显;管棚弯矩集中于掌子面前后方区域,随开挖面推进,弯矩作用范围逐渐向前扩张,最大弯矩发生在洞口套拱处;通过参数影响分析,当采用短进尺开挖时,管棚直径取129~159 mm、间距为0.4~0.5 m、注浆区厚度为0.4~0.5 m时可确保上方高速公路安全。研究结果可为类似工程施工和设计提供参考。     

新建草莓沟2号隧道近接下穿既有隧道施工安全影响分析*

为探明新建草莓沟2号隧道近接下穿施工对既有盘道岭隧道整体结构的安全影响,基于Peck公式和温克尔弹性地基梁理论建立数值模型,对既有隧道受下穿施工影响的变形沉降和应力增量变化进行研究。结果表明:既有隧道结构在下穿隧道施工的影响下产生竖向和横向位移,且横向位移变形较竖向更为明显,结构的最大沉降量为1.33 mm,远小于沉降控制阈值6.35 mm;下穿隧道施工过程中既有隧道中断面衬砌存在纵向拉应力增量与横向压应力增量,最大的拉应力增量为0.86 MPa,远小于拉应力控制阈值1 MPa;最大的压应力增量为0.5 MPa,远小于控制阈值5 MPa;结构沉降变形和应力增量均小于工程的控制标准,上部既有盘道岭隧道结构安全稳定。所用研究方法和技术方案可为近接下穿隧道的安全施工提供借鉴。     

软岩大断面隧道二次衬砌支护时机的选择研究

为探明软岩大断面隧道开挖后围岩的变形与支护时机的相关关系,利用监控测量数据反演分析中获得的蠕变参数,校正ABAQUS的D-P蠕变模型;在此基础上建立数值计算模型,对具有代表性的围岩进口浅埋段、出口浅埋段和洞身段进行了相关的数值分析,研究软岩大断面隧道岩体的变形规律和支护时机之间的关系;通过埋设现场监控量测点对二衬支护时机的结果进行了验证。研究结果表明:出口和进口浅埋段的V级围岩,开挖后岩体的变形速率大、时间短,选择以最终位移量的80%为最佳支护时机,二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的15 d左右;洞身段IV级围岩具有变形速率小、时间长,以最终位移量的90%为最佳支护时机,洞身段二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的30 d左右。现场验证表明,选择的二次衬砌支护的时机是可行的。     

片岩隧道变形规律分析与预测方法研究

为准确掌握片岩隧道变形规律,基于隧道变形监测结果,利用核极限学习机构建隧道变形初步预测模型,通过遗传算法和蚁群算法进行优化处理,以保证模型参数的最优性,采用混沌理论对预测误差进行修正处理,利用M-K分析判断隧道变形趋势,并将趋势判断结果与预测结果对比.结果表明:通过递进优化处理,能逐步提高预测精度,且预测结果的相对误差...     

盾构切削桩引起的桩基承载特性变化及可行性研究*

为分析兰州地铁盾构隧道穿越既有桥梁工程方案的可行性,采用有限元数值模拟,研究盾构施工切削桩引起的桩基承载特性变化,分析盾构切削桩基前后桩体轴力、侧摩阻力和弯矩变化,探讨地表及桩基的位移变化。结果表明:直接切削桩将导致桩顶荷载重分布,隧道两侧1,4号桩桩顶荷载增大且增大19.3%~26.7%,而切断桩荷载减小且减小25.5%~29.2%;桩土相对位移随着盾构掘进而增大,促使基桩侧摩阻力的发挥整体呈增强趋势;各基桩弯矩均增大,致使桩基在桩顶以下4 m及隧道中心平面附近存在2个不利截面,各基桩最大弯矩增大2.0~5.2倍;直接切削桩将导致地表、基桩沉降激增,从而导致水平位移增大,致使承台由初始受力状态时的整体沉降变为挠曲变形为主,最大相对沉降达到5.01 mm,超过控制限值。可见,直接切削桩对既有桥梁桩基的承载特性影响显著,此方案不可行,应在盾构施工前采取加固措施。该研究结果可为类似工程提供参考。     

梁锚结构加固浅埋隧道洞口软弱地层的承载特性研究

针对隧道洞口埋深浅且软弱围岩稳定性差这一问题,提出在地表增设混凝土框架梁,设置扩大头锚杆与框架梁连接并深入软弱围岩,运用数值模拟分析“混凝土框架梁-扩大头锚杆”结构加固软弱地层后的力学特性。研究结果表明：采用“混凝土框架梁-扩大头锚杆”加固隧道洞口软弱地层,k=0.4时,相比于没有加固对照模型,隧道最大拱顶沉降值下降68.7%,隧道最大边墙收敛值下降15.1%,初期支护最大等效应力减小12.7%;建立不同加固区围岩松动压力分散系数k下的数值模型,通过拱顶沉降结果与加固区围岩松动压力分散系数的线性拟合,提出采用加固结构后的隧道拱顶沉降规律与围岩松动压力计算方法。     

浅埋隧道下穿超近距密集管线施工变形时空特性研究

为分析浅埋隧道下穿密集管线施工地层与管线群变形时空特性,基于南昌地铁三号线邓埠站1号出入口暗挖隧道工程,利用理论分析、数值分析结合现场监测的方法进行研究。研究结果表明：隧道上方密集管线中位于前方的管线先承担开挖释放的部分土体应力,使其后方管线的变形大幅减小,平均减幅达23%;地层变形始终朝向掌子面,在掌子面到达时水平位移最大;因管线-土体共同作用,土体释放部分应力转移到地下管线,使地层沉降减小24%～38%,沉降槽宽度扩大40%;施工期间建议对污水管变形重点监测,在管线平均变形速率急速增大时,需提高监测频率。研究结果可为该地区相似工程施工提供参考。     

The human cervical spine in tension: effects of frame and fixation compliance on structural responses

There is little data available on the responses of the human cervical spine to tensile loading. Such tests are mechanistically and technically challenging due to the variety of end conditions that need to be imposed and the difficulty of strong specimen fixation. As a result, spine specimens need to be tested using fairly complex, and potentially compliant, apparati in order to fully characterize the mechanical responses of each specimen. This, combined with the relatively high stiffness of human spine specimens, can result in errors in stiffness calculations. In this study, 18 specimen preparations were tested in tension. Tests were performed on whole cervical spines and on spine segments. On average, the linear stiffness of the segment preparations was 257 N/mm, and the stiffness of the whole cervical spine was 48 N/mm. The test frame was found to have a stiffness of 933 N/mm. Assembling a whole spine from a series combination of eight segments with a stiffness of 257 N/mm results in an estimated whole spine stiffness of 32.1 N/mm (32% error). The segment stiffnesses were corrected by assuming that the segment preparation stiffness is a series combination of the stiffnesses of the segment and the frame. This resulted in an average corrected segment stiffness of 356 N/mm. Taking the frame compliance into account, the whole spine stiffness is 51 N/mm. A series combination of eight segments using the corrected stiffnesses results in an estimated whole spine stiffness of 45.0 N/mm (12% error). We report both linear and nonlinear stiffness models for male spines and conclude that the compliance of the frame and the fixation must be quantified in all tension studies of spinal segments. Further, reported stiffness should be adjusted to account for frame and fixation compliance.