软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明:盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

考虑变形缝影响的盾构隧道纵向抗震性能分析

盾构隧道通过设置变形缝可适应沿纵向的不均匀沉降和变形,但目前盾构隧道结构抗震设计尚未考虑变形缝的影响,且变形缝对盾构隧道的纵向抗震性能的影响机制尚不清晰。本文将盾构隧道简化为三维的等效梁单元,放置在粘弹性地基上,采用地基弹簧和阻尼单元模拟隧道与土体间的动力相互作用,并通过细观三维精细化模型来模拟变形缝,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的变形缝张开量和错位量等变形。综合考虑不同地震动输入方向和不同地震波频谱特性,对比分析盾构隧道有/无变形缝时的非一致地震响应特征,并对变形缝间距变化进行了参数敏感性分析,系统揭示了变形缝对盾构隧道纵向抗震性能的影响规律。分析结果表明:在隧道纵向布置变形缝能有效减小盾构隧道在地震作用下的轴力和弯矩,但随着变形缝间距的增大,减震效果显著降低。研究结论可为今后类似工程的抗震分析及变形缝设计提供指导。     

城市地铁盾构施工地层变形三维数值模拟分析

富水砂层条件下,盾构施工问题多、风险大、施工变形难控制。以南昌地铁某区间盾构隧道工程为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D建立了三维盾构施工力学模型,对富水砂层条件下的盾构施工过程进行动态数值模拟,并结合现场实测数据分析了盾构施工引起的地表沉降规律。结果表明:盾构施工引起的横向地表沉降呈"V"形,最大地表沉降发生在隧道中心正上方,最终形成的沉降槽宽度约为6倍隧道外径;盾构施工引起的纵向地表沉降呈"S"形,盾构开挖面前方表现为隆起,开挖面后表现为沉降,在开挖面后一定距离逐渐趋于稳定;开挖面支护力对稳定开挖面土体及减小地表沉降有较大影响;盾构进洞与出洞施工中存在较大风险,应采取相应的工程措施以保证盾构施工安全进行。所得结论可供南昌地铁区间盾构隧道设计与施工参考。     

三维盾构隧道开挖面极限支护压力的上限解

为了研究掘进过程中盾构隧道开挖面附近土体的稳定性,假设土体为纯粘性土,且为理想弹塑性材料,服从摩尔-库仑屈服准则,参照矩形基础承载力问题的三维Hill机构,建立了盾构隧道开挖面土体处于主动、被动极限平衡状态下的破坏模式。从塑性极限分析上限法的基本原理出发,推导出三维盾构隧道开挖面极限支护压力上限解的计算公式。结合某算例,讨论了三维盾构隧道开挖面主动、被动极限支护压力上限解与平面应变上限解的关系,以及开挖面极限支护力与土体粘聚力、h/D的相互关系。研究结果表明:三维盾构隧道开挖面主动极限支护力要比平面应变上限解小,而被动极限支护力要比平面应变上限解大;随着粘聚力的增加,三维盾构隧道主动、被动极限支护力与平面应变上限解的差别也逐渐增大;盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力的上限解均随h/D的增大而增大,且h/D越大,盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力随土体粘聚力的变化速率也越快。     

盾构隧道纵向地震响应简化动力有限元法分析(英文)

本文重点关注对盾构隧道的纵向地震响应分析方法的研究,提出了一种简化的动力有限元分析方法。这种方法采纳了响应位移法的一些基本思想,采用和响应位移法一样的环梁和土弹簧模型,但采用动力有限元法来评估地基地震动,而摒弃了响应位移法中采用的地基振动为谐波形式的假定。与响应位移法相比,简化动力有限元法能够提高地基震动的计算精度,从而提高结构响应的计算精度;而与三维连续模型相比,新方法的计算规模小得多,从而能够大幅提高计算效率。然后,本文分别采用相应位移法和新提出的简化动力有限元法,对武汉长江隧道盾构段隧道进行了纵向地震响应分析,并对这2种方法计算结果的差异进行了分析。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

越江电力地下综合管廊结构横向抗震性能研究∗

针对越江气体绝缘输电线路(GIL)综合管廊结构的特殊性,考虑内部混凝土支架与盾构隧道的动力相互作用,以及盾构隧道穿越地层的不同,建立了土?管廊结构非线性动力相互作用的整体计算分析模型,从结构变形、盾构管片张开量、结构地震损伤等方面详细分析了越江 GIL 综合管廊结构的抗震性能。结果表明：越江 GIL 管廊结构内部混凝土支架结构明显要先于外部盾构隧道发生地震损伤;当 GIL 管廊结构穿越相对较软土层时的地震损伤明显加重;受制于内部混凝土支架的约束作用,盾构隧道的下部管片张开量明显小于上部管片计算值,同时外侧残余张开量要明显大于管片内侧残余张开量。     

浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。     

浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析

基于隧道钻孔爆破时岩体的破坏过程及应力波传播特性,提出了能用于快速计算模拟爆破地震场的等效荷载施加方法。采用等效荷载施加方法对重庆双碑隧道浅埋段掘进爆破时的地表振动进行了数值计算,并将数值计算结果与现场实测振动数据对比分析,验证了该等效荷载施加方法用于模拟计算地表爆破振动特性的可行性。最后,通过计算浅埋小净距隧道两侧隧道掌子面处于不同位置关系时的地表振动情况,得到非主爆隧道开挖后形成的空洞区将对其上部的地表振动强度具有一定的放大作用,且放大倍数与该隧道掌子面同主爆隧道掌子面间的位置相关。     

火灾作用下隧道结构力学响应及稳定性分析∗

隧道火灾会引起衬砌结构发生高温损伤,威胁隧道运营安全。从材料微观物理化学变化出发,研究了混凝土中水化物的热分解和骨料力学性能的高温劣化过程,揭示了其在火灾等高温作用下宏观力学性能的劣化机理,建立了相应的高温损伤分析模型,在传统模型仅能考虑温度大小影响的基础上进一步考虑了温度持续时间对材料力学性能劣化的影响。以上海某软土地区盾构隧道为算例,分析了不同火灾持续时间作用下衬砌结构的高温损伤过程,得到了衬砌结构在温度和力学荷载共同作用下的应力状态、围岩变形及隧道稳定性的变化规律,为隧道衬砌结构的防火设计及灾后评估与修复提供参考。     

基于层状土推覆方法的盾构隧道抗震性能分析

当前对于地铁盾构隧道进行抗震分析时多基于弹性假设的简化设计方法,难以体现土体和结构的非线性特征;而动力时程分析具有耗时长,工作量大,考虑因素多等缺点使其在工程设计中的广泛应用受到限制。地下结构静力推覆方法具有概念清晰,考虑土体与结构相互作用,相比动力方法耗时大大减少等优点。而自适应层状土推覆分析可以改善地下结构静力推覆法的地震荷载加载模式,使之在含软弱夹层的场地中同样具有较高的精度。通过建立二维的土体-结构相互作用模型,采用自适应层状土推覆分析法对实际的单线地铁盾构隧道横断面进行拟静力弹塑性分析。绘制了其抗震性能曲线并发现了相对薄弱处的位置,并与动力时程的分析结果进行了比较,证明该方法有良好的精度。同时采用该方法对地铁盾构隧道抗震响应做了参数分析,给出了管片混凝土标号和土体模量的改变对隧道薄弱点受力的影响。     

近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射∗

采用间接边界单元法,求解断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射。首先,通过IBEM求解半空间波动问题的思路,在单层位势理论下,将虚拟荷载施加于散射体表面构造散射波场。然后根据交界面处位移连续条件和应力连续条件建立方程,进而求解得出虚拟荷载密度。半空间自由波场与散射波场通过叠加得出总波场,将得出的结果与现有的精确解进行对比,从而使本方法的计算精度得到验证。最后,通过求得的详细数值结果,讨论了半空间中断层场地和衬砌隧道对平面SH波的散射规律。数值分析结果表明:近断层场地衬砌隧道附近SH波的散射同无断层情况相比差异显著,动力反应特征主要依赖于不同断层倾角、隧道与断层距离、SH波入射角度、入射频率等参数。总体上看,SH波入射下,当衬砌隧道位于断层上盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有一定的缩小效应;当衬砌隧道位于断层下盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有放大效应,应力增幅可以达到30%。实际隧道结构动力分析宜根据实际工况考虑断层存在的影响。     

浅埋富含水砂层盾构下穿敏感性建筑水平冻结+短钢箱接收技术∗

盾构始发与接收是盾构法隧道施工的关键风险点,以常州地铁1号线一期工程博爱路站-常州火车站区间下行线盾构接收工程为例,隧道下穿常州火车站站厅,隧道顶部距地下大厅结构底板仅3.75 m,受地面条件限制采用水平冻结加固方式。通过对冻结温度场、卸压孔压力及车站底板隆起进行跟踪监测与分析,结果表明:受地下水影响温度下降缓慢,车站底板因冻胀隆起较大,最大隆起处位于隧道端头中心线处约为46 mm,且底板隆起值与测点温度的变化密切相关;为防止温度低引起冻胀过大造成上部结构破坏,采取在冻结壁外围适度卸水进行卸压措施;在冻结壁交圈但厚度尚未完全达到冻结设计要求情况下,提出加装短钢箱装置进行盾构接收。实践表明,适度卸压水平冻结+加装短钢箱接收方式密封止水效果良好,安全可靠,可为今后类似工程提供可行技术。     

近距双线盾构隧道开挖诱发地层变形演变规律及数值模拟

双线平行隧道盾构施工相互扰动作用对其诱发的地层变形分布特征和演变规律影响显著。以某地铁双线盾构隧道工程为例,考虑双线平行隧道间距与盾构施工相互作用影响,采用数值模拟和现场实测相结合的方法对双线平行隧道盾构施工引起的地层变形演变规律进行了对比分析,并提出了考虑近远距状态的双线平行隧道盾构施工地层变形预测模型。研究结果表明,双线盾构隧道施工地层竖向变形曲线由“V”形发展为非对称“W”形分布,沉降槽宽度由6D扩大为10D,地层深度越深非对称“双峰”特征越明显;地层水平变形曲线以两隧道中线为轴线呈反对称分布,两隧道间区域土体变形受施工扰动影响显著;地表沉降曲线分布随双线隧道近远距变化由深“V”形—浅“V”形—“U”形—浅“W”形—深“W”形—两独立“V”形演变,采用L cr=2CKH可作为双线平行盾构隧道近远距状态临界判据,本文提出的预测模型能较好地反映近远距状态及施工相互扰动对双线平行隧道盾构施工地层变形的影响规律。研究成果可为类似地铁隧道盾构施工变形预测与精细化控制提供科学参考。     

输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明:减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。     

盾构隧道全寿命防水风险模糊评价

在对盾构隧道进行防水风险等级划分和主要风险因素识别的基础上,对风险因素进行合理模糊化,利用模糊识别理论研究了盾构隧道全寿命防水风险评价,所提方法能一定程度上客观、量化地评价盾构隧道全寿命防水风险,所提方法对其他类似工程项目的风险评价具有借鉴意义.     

燃气爆炸作用下地下综合管廊动力响应模拟

针对地下综合管廊结构的抗爆性能,依托某工程实例,建立综合管廊结构在燃气爆炸荷载作用下的三维有限元模型,确定燃气爆炸荷载曲线及其在地下管廊上的加载方式,分析了地下管廊在燃气爆炸荷载作用下的动力响应,讨论了燃气爆炸荷载峰值、持时等主要参数对地下管廊衬砌动力破坏特征的影响。结果表明,燃气爆炸荷载作用下,管廊衬砌的损伤破坏具有局部性和弱传递性;当超压峰值小于0.2 MPa,管廊损伤程度不大;随燃气爆炸荷载峰值的增大,管廊衬砌的损伤程度逐渐加重,达到0.7 MPa时,即便较短持时,燃气室也将出现明显破坏;随燃气爆炸荷载持时的增大,管廊结构损伤破坏加重;相同冲量时,荷载达到峰值时间越短,管廊衬砌的损坏范围和损伤程度越大。     

地铁盾构施工土体变形与临近结构失效机理研究

地铁施工可能诱发临近结构失效,这是城市轨道交通建设安全施工与灾害防控的重点之一。基于实际典型工程,对地铁盾构施工引起的土体变形与周边结构失效机理进行研究。研究结果表明:(1)地铁盾构施工过程中,周边土体会产生显著变形,各环施工引起的土体沉降最大值为10.26cm,施工中应引起重视。(2)地铁施工引起的土体变形是诱发周边结构失效的主要原因之一,衬砌产生的最大应力为10.90 MPa,小于C50混凝土抗压强度23.1MPa,管片强度具有一定的安全储备;(3)最不利工况下,箱涵最大应力为4.62 MPa,位于混凝土箱涵与砌体箱涵交接位置,可能诱发结构开裂;(4)左线开挖完成后,进行右线开挖时,箱涵最大应力位置向隧道右线移动,箱涵结构最大应力基本稳定;(5)本文数值模拟结果与工程监测数据误差在可接受范围,能为类似工程提供参考。     

古土壤地层盾构施工引起的地表沉降分析

针对西安地铁上覆含有古土壤的黄土地层中盾构施工引起的地表沉降,在分析其产生机理、盾构施工数值模拟过程、基于经验公式的Peck地表沉降计算方法的基础上,探讨了基于注浆效果、支护压力以及偏心超挖的等代层厚度计算方法;具体分析了盾构施工数值模拟过程中的等代层弹性模量和掌子面支护压力比与Peck地表沉降计算公式中最大沉降量和沉降槽宽度之间的关系。研究结果表明,在含有古土壤的黄土地层中进行盾构施工数值模拟时,等代层模量的取值在5～10MPa范围之内,当等代层模量小于5 MPa时,隧道围岩将产生较大的塑性变形;掌子面支护压力比取值在0.5～1.0范围之内,当掌子面支护压力比小于0.5时,掌子面附近土体将产生较大的塑性变形,当掌子面支护压力比大于1时,地表将产生隆起变形。