地表堆载作用下双圆盾构隧道破坏机制试验研究

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作者 柳献 刘震 +1 位作者 李家平 王如路 《岩土工程学报》 北大核心 2025年第3期487-494,共8页

盾构隧道在服役期间,易受周边工程活动影响导致较大的变形或内力响应。为研究双圆盾构隧道在周边环境扰动下的结构鲁棒性能,为隧道运维提供理论依据,设计并开展了双圆盾构隧道原型结构破坏性试验,采用拟静力试验方法模拟了隧道结构在地... 盾构隧道在服役期间,易受周边工程活动影响导致较大的变形或内力响应。为研究双圆盾构隧道在周边环境扰动下的结构鲁棒性能,为隧道运维提供理论依据,设计并开展了双圆盾构隧道原型结构破坏性试验,采用拟静力试验方法模拟了隧道结构在地表堆载意外作用下的外部荷载状态。基于对试验过程中结构和接头的变形响应演化分析,揭示了双圆盾构隧道结构的破坏机制。研究结果表明,双圆盾构隧道结构在地表堆载意外工况下呈现典型初始线性、塑性损伤快速累积和整体失稳3个阶段。当长轴收敛变形达到25 mm左右时,6号、8号和3号负弯矩接头依次进入弹塑性阶段,结构整体亦进入塑性损伤快速累积阶段(第二阶段)。当左半环底部7号正弯矩接头外弧面混凝土压溃,内弧面铸铁手孔板开裂后,结构基本进入整体失稳阶段(第三阶段)。最终随着左半环上角部B7管片本体受弯破坏,结构彻底丧失承载能力。结构鲁棒性评价表明,双圆盾构隧道相比类矩形盾构隧道更好地利用了圆形隧道的优良受力性能,整体鲁棒性评价指标也更高。研究进一步建立了结构整体收敛变形和接头转角、接头张开量的相互关系,发现受结构、接头构造及材料性能影响,双圆盾构隧道结构在地表堆载意外工况下初期变形主要来源于3号、6号和8号负弯矩接头,在第二阶段后期随着内力重分布,7号正弯矩接头迅速达到线性极限,并进入塑性状态,导致结构左半环收敛变形快速发展。根据结构及接头受力机制,实际隧道运维期间重点监测的关键部位应包含结构长短轴收敛变形、腰部及小海鸥块侧负弯矩接头内弧面压碎及正弯矩接头内弧面张开情况。 展开更多

关键词 双圆盾构隧道 原型结构试验 地表堆载 破坏机制 鲁棒性评价 监测部位

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地表堆载作用下盾构隧道结构变形规律及安全控制限值 被引量：1

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作者 卞荣 吴冰 +2 位作者 孙永军 翁天赐 熊勇林 《水文地质工程地质》 北大核心 2025年第2期114-124,共11页

地表堆载是地下盾构隧道管片破损、接缝张开和错台等病害的主要诱因之一,这些病害对盾构隧道的安全运行构成了严峻挑战。以往的研究往往集中于某一特定堆载方式,且在分析时未能充分考虑管片接头间的力学特性。基于此,文章利用ABAQUS有... 地表堆载是地下盾构隧道管片破损、接缝张开和错台等病害的主要诱因之一,这些病害对盾构隧道的安全运行构成了严峻挑战。以往的研究往往集中于某一特定堆载方式,且在分析时未能充分考虑管片接头间的力学特性。基于此,文章利用ABAQUS有限元软件,构建了一个包含管片、螺栓和土层的多尺度精细化三维有限元模型。该模型充分考虑了隧道管片和螺栓的材料非线性特性,以及隧道管片与土体之间的复杂相互作用。通过对足尺管片加载模型试验进行模拟分析,首先验证了所采用的隧道管片模型的准确性和可靠性。随后,利用所建立的三维精细化模型,开展了不同堆载荷载大小及其形式(包括中心堆载、半偏心堆载和偏心堆载)对地下管片结构的数值模拟分析,结果表明:(1)地表堆载作用下盾构隧道纵向沉降变形呈现非连续性和非均匀性,其中地表堆载范围内隧道的沉降量较大,在堆载的边缘处隧道错台量和张开量较大;(2)综合分析了不同堆载形式下盾构隧道结构变形、张开量及错台量之间的关系,得到了盾构隧道管片张开量与结构变形及收敛率之间的关系。研究结果及所提出的相关公式可为工程施工提供参考。 展开更多

关键词 地表堆载 盾构隧道 精细化建模 数值模拟 安全限值

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地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响 被引量：5

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作者 梁荣柱 王理想 +3 位作者 李忠超 康成 高坤 柯宅邦 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2023年第3期130-141,共12页

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映... 临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载;其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量;增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大;增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。 展开更多

关键词 地表堆载 盾构隧道变形 非线性Pasternak地基模型 接头非连续盾构隧道计算模型

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基于三维随机场的地表堆载引发运营隧道变形分析 被引量：6

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作者 田宁 陈健 +2 位作者 田铠玮 周宁希 黄珏皓 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第S02期120-124,共5页

随着城市基础设施的快速发展和轨道交通的进一步开发,已有运营盾构隧道不可避免地会受到周围施工的影响,邻近施工将引起运营隧道周围土体的应力重分布,从而使隧道衬砌结构产生额外的附加变形。在三维空间变异性土体中研究了地表堆载对... 随着城市基础设施的快速发展和轨道交通的进一步开发,已有运营盾构隧道不可避免地会受到周围施工的影响,邻近施工将引起运营隧道周围土体的应力重分布,从而使隧道衬砌结构产生额外的附加变形。在三维空间变异性土体中研究了地表堆载对下方既有运营盾构隧道结构变形的影响,采用有限元方法和随机场理论对盾构隧道的拱顶沉降进行了概率分析,揭示了土体参数的波动范围和变异系数对盾构隧道轴向变形超标概率的影响规律,最后根据大量随机分析结果提出了一种简化的等效确定性分析方法。相关成果可以为在类似工程问题中考虑土体参数空间变异性提供一种简化计算方法。 展开更多

关键词 三维随机场 空间变异性 地表堆载 隧道 随机有限元法

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考虑土体小应变刚度的地表堆载对隧道影响数值分析 被引量：7

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作者 卞荣 刘华清 +3 位作者 陈飞 吴冰 贺雷 叶冠林 《科学技术与工程》 北大核心 2020年第18期7407-7412,共6页

随着城市地下空间的进一步开发,交通隧道、地下车站和地下商铺等建筑(构筑)物不可避免地变得越来越密集,既有隧道周围会频繁存在堆载的情况。采用数值方法分别研究摩尔-库伦(M-C)本构模型及考虑土的小应变特性的硬化本构模型(HSS)情况... 随着城市地下空间的进一步开发,交通隧道、地下车站和地下商铺等建筑(构筑)物不可避免地变得越来越密集,既有隧道周围会频繁存在堆载的情况。采用数值方法分别研究摩尔-库伦(M-C)本构模型及考虑土的小应变特性的硬化本构模型(HSS)情况下基坑开挖地表堆载尺寸、堆载大小及隧道埋深对既有顶管隧道变形的影响规律。计算结果表明:在相同堆载大小及堆载宽度的情况下,HSS本构得到的土体受堆载影响范围明显低于M-C(Moore-Coulomb)本构计算结果。当堆载大小为100 kPa时,M-C本构的侧边和深度影响范围达到了75 m,而HSS本构下侧边及深度影响范围仅有35、30 m左右;当堆载宽度为25 m时,M-C本构的侧边和深度影响范围达到了75 m,而HSS本构下深度影响范围不超过35 m,侧边则不超过40 m。基于数值计算结果,对实际工况提出严禁在既有隧道的正上方进行堆载的建议。 展开更多

关键词 地表堆载 隧道 小应变 变形分析 数值模拟

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地表堆卸载对浅覆土盾构隧道影响试验研究 被引量：4

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作者 符宇坤 康成 +4 位作者 梁荣柱 向黎明 王理想 柯宅邦 吴小建 《铁道科学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期241-252,共12页

地铁沿线开发利用过程中不可避免地造成紧邻地铁隧道的地表临时堆载,堆载清除后依然会对隧道结构造成不可恢复变形,影响地铁安全运营。现有的研究主要集中在堆载过程引起的盾构隧道变形,缺少堆载−卸载这一完整过程的研究。为探究地表堆... 地铁沿线开发利用过程中不可避免地造成紧邻地铁隧道的地表临时堆载,堆载清除后依然会对隧道结构造成不可恢复变形,影响地铁安全运营。现有的研究主要集中在堆载过程引起的盾构隧道变形,缺少堆载−卸载这一完整过程的研究。为探究地表堆−卸载引起的浅覆土隧道变形特性,以错缝无榫槽盾构隧道为原型,使用3D打印技术制作的盾构隧道模型开展砂土地层盾构隧道的浅覆土堆−卸载试验和常覆土堆载试验,分析浅覆土隧道堆−卸载过程受力及变形情况,并对比堆载过程浅覆土隧道与常覆土隧道受力及变形结果。实验结果表明:地表堆−卸载过程引起隧道管环变形由整体沉降和径向收敛2个部分组成。地表临时堆载引起隧道的部分变形是不可逆的,且浅覆土隧道的卸载回弹变形具有一定的滞后性,卸载后,隧道环的不可恢复位移偏移量:拱底>拱顶>拱腰。距离荷载中心越近,截面椭圆化越明显,且拱顶、拱底和拱腰是产生弯矩的峰值处。浅覆土隧道对地表荷载变化更敏感,在地表堆载下产生明显的沉降区,且隧道两端发生翘起现象;常覆土隧道差异沉降相对较小,沉降曲线较平滑。浅覆土隧道受到附加应力更大,但受影响范围要小于常覆土隧道。研究可为地表突发堆载中既有盾构隧道的保护提供理论依据。 展开更多

关键词 浅覆土盾构隧道 3D打印 地表临时堆载 卸载回弹 模型试验

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地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析 被引量：46

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作者 康成 梅国雄 +3 位作者 梁荣柱 吴文兵 方宇翔 柯宅邦 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第12期4605-4616,共12页

违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研... 违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应和隧道埋深的地表堆载下既有盾构隧道变形和受力的简化解析解。将既有盾构隧道简化为搁置于Winkler地基的Timoshenko梁,地基反力系数考虑隧道埋深的影响。通过三维有限元模型和已发表工程案例的实测数据,验证所提方法的正确性及适用性。通过参数分析发现,在荷载中心与隧道中心距离较近情况下,浅埋盾构隧道将发生较大的沉降变形;提高等效抗弯刚度和基床反力系数可以减少隧道沉降变形。而增大等效剪切刚度对隧道的沉降变形贡献较小,但是可以明显减小管片之间的错台变形。该研究成果可为合理预测地表堆载对既有盾构隧道的影响提供一定的理论支持。 展开更多

关键词 地表堆载 盾构隧道 理论解析 隧道变形

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地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究 被引量：7

8

作者 阮恒丰 梁荣柱 +2 位作者 康成 李忠超 柯宅邦 《安全与环境工程》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期35-45,77,共12页

随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多,地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发,易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害,严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续... 随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多,地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发,易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害,严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续结构分析,忽视了管片间接头的影响。通过构建管片间接头受力模型,建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型,研究了地表突发堆载作用下地铁盾构隧道的受力变形机制。结果表明:地铁盾构隧道整体在纵向上出现高斯分布的不均匀沉降,管片环在横向上被压扁成“横鸭蛋”形;管片环内接头张开和错台均集中于堆载宽度范围内,管片环间接头张开和错台分别集中于堆载中心和堆载宽度边缘;地铁盾构隧道沿纵向的沉降大部分由管片环间错台累积贡献,最大累加错台量占最大沉降量的73%;管片环在横向上呈现非协同变形,拱顶沉降量是拱底沉降量的1.5倍,管片环间接头的剪切力由拱顶向拱底逐渐递减;管片环收敛率在堆载中心正下方最大达4.1‰,收敛变形导致拱顶处和拱腰处管片环内接头分别向管片环内部、外部张开,以及拱顶处、拱腰处管片应力集中;堆载中心正下方管片环间截面上的应力分布以29°的中性轴为界,中性轴以上管片受压,中性轴以下管片与螺栓同时受拉。本文所提出的地铁盾构隧道结构变形三维精细化数值模拟方法能够高效、准确地模拟地铁盾构隧道结构和管片间接头部位的受力和变形特点,具有一定的工程应用价值。 展开更多

关键词 地表堆载 地铁盾构隧道 管片间接头 精细化建模 数值模拟

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堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究 被引量：31

9

作者 梁发云 袁强 +1 位作者 李家平 张少夏 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期63-71,共9页

随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角... 随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角坐标系中竖向荷载作用下层状地基附加应力的基本解;然后将下卧隧道视为Timoshenko梁,基于Winkler地基模型和两阶段法求得隧道纵向位移和内力。为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,对上软下硬、上硬下软两种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。结果表明:地基土成层特性对隧道形状影响比较大,相比而言,隧道下卧土层控制沉降的效果要优于隧道上覆土层。 展开更多

关键词 地表堆载 层状地基 地铁隧道 隧道变形 两阶段法

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地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解 被引量：5

10

作者 张治国 张洋彬 +2 位作者 张成平 王志伟 PAN Y T 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期34-42,共9页

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理... 目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理论并运用Laplace变换技术,提出了地表堆载作用下盾构隧道开挖引起的周围土体位移和应力的时域解。依托相关工程监测数据与简化时域解对比,得到了较好的一致性。研究结果表明:所得出的时域解能较好地反映地表堆载作用下盾构隧道开挖对周围土体位移场的影响,以及地层变形随时间的发展趋势。在地表堆载影响下,随着时间推移,开挖引起的地层变形不断增加,沉降速率则呈现出逐渐衰弱直至为零规律,而堆载突变导致其地表沉降值尤其沉降速率变化显著。研究成果对黏性地层密集堆载群范围内的隧道施工控制具有一定理论指导意义。 展开更多

关键词 盾构隧道 地表堆载 黏弹性 椭圆化收敛变形 时域解

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邻近堆载诱发既有隧道受力变形研究 被引量：5

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作者 张涛 欧伟山 齐晓强 《科学技术与工程》 北大核心 2023年第2期802-809,共8页

地表堆载会引起邻近土体产生沉降变形,进而会对地下空间中的邻近隧道造成安全威胁。为了获得邻近既有隧道受到地表作用的影响,采用Boussinesq解获得地表堆载对邻近既有隧道的竖向附加应力,将既有隧道简化成搁置Vlasov地基模型的欧拉梁,... 地表堆载会引起邻近土体产生沉降变形,进而会对地下空间中的邻近隧道造成安全威胁。为了获得邻近既有隧道受到地表作用的影响,采用Boussinesq解获得地表堆载对邻近既有隧道的竖向附加应力,将既有隧道简化成搁置Vlasov地基模型的欧拉梁,考虑到既有隧道侧向土体影响,进一步获得隧道在邻近堆载作用下的变形响应。通过与既有工程案例数据对比分析可知:该方法理论解析与监测数据较为接近,验证了方法的可靠性;与该方法退化解析对比,本文方法更贴近工程实测数据。参数研究表明:隧道与堆载中心间距的增大会引起隧道纵向位移及内力的减小;堆载荷载的增大会引起隧道纵向位移及内力的增大;随着既有隧道刚度的逐渐增大,隧道纵向位移会逐渐减小,但会引起既有隧道内力的增大。 展开更多

关键词 地表堆载 既有隧道 欧拉梁 Vlasov地基模型 侧向土体作用

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软、硬地层中局部堆载对隧道横向变形影响的试验研究 被引量：18

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作者 梁发云 方衍其 +1 位作者 袁强 李家平 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期322-331,430,共11页

通过缩尺模型试验研究了局部堆载位置对软、硬地层中隧道横向变形的影响机理,考虑不同堆载位置和隧道穿越土层性质,测量了分级加‒卸载过程中隧道管片的椭圆度、接头张开量和附加土压力的变化情况。试验结果表明,当荷载大小相同时,随堆... 通过缩尺模型试验研究了局部堆载位置对软、硬地层中隧道横向变形的影响机理,考虑不同堆载位置和隧道穿越土层性质,测量了分级加‒卸载过程中隧道管片的椭圆度、接头张开量和附加土压力的变化情况。试验结果表明,当荷载大小相同时,随堆载偏心距增加,隧道椭圆度先迅速减小然后趋于平缓,堆载导致软土层隧道的椭圆度大于硬土层隧道,并且增加偏心距后软土层隧道椭圆度的减小更明显。增加堆载偏心距可以有效减小隧道接头的张开量,正上方堆载时变形主要发生在隧道左右肩部与顶部接头,偏心堆载时变形主要发生在荷载对侧的肩部与顶部接头。堆载作用下砂土层隧道土压力分布较均匀,而软土层隧道土压力主要集中于水平方向,随着偏心距增加,土压力逐渐减小且主要集中点向荷载对侧的斜截面转移。最后,采用有限元模拟进行了主要影响因素的参数分析,对运营隧道上方堆载与保护提出了相关建议。 展开更多

关键词 地表局部堆载 盾构隧道 椭圆度 接头变形 土压力

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