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浅埋超大直径盾构近穿既有高架桩基的影响

科学技术与工程 2024年第24期24卷 10439-10448页

作者：苏稚寅谢家冲王子怡上海隧道工程有限公司上海200232 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系上海200092 加泰罗尼亚理工大学土木与环境工程学院巴塞罗那08034 慕尼黑工业大学工程与设计学院慕尼黑80333

上海北横通道工程Ⅷ标段为15.5 m超大直径盾构隧道,区间在出洞后仅54 m即近距离侧穿内环高架,最小覆土埋深比为0.5,距离桥墩桩基最近仅3.9 m。施工过程中既有桩基、地层和盾构穿越表现出显著的相互作用影响。开展了盾构施工影响区范围... 详细信息

上海北横通道工程Ⅷ标段为15.5 m超大直径盾构隧道,区间在出洞后仅54 m即近距离侧穿内环高架,最小覆土埋深比为0.5,距离桥墩桩基最近仅3.9 m。施工过程中既有桩基、地层和盾构穿越表现出显著的相互作用影响。开展了盾构施工影响区范围内的地表沉降和桥墩桩基的位移监测,并基于实测结果对盾构开挖过程的三维精细化数值分析结果进行对比验证。结果表明:数值结果与实测数据吻合良好,均反映了在浅埋超大直径盾构出洞后即穿既有高架桥梁桩基下,在横断面上表现为地表中间沉降,两侧显著隆起的特点,其中部分隆起量在开挖完成后由于卸载恢复;侧穿高架过程中表现出显著的隧-土-桩相互作用:既有桩基对盾构开挖引起的地层变形存在钳制作用,导致沉降槽两侧表现为非对称隆起,地层变形同时也协同带动既有桩基的竖向隆起;在开挖的纵向响应上,沉降区间受到两侧工作井与桩基约束而扩展有限;侧穿引起桩身发生背向隧道最大值超过3 mm的水平侧向屈曲位移,同时在单桩中产生最大达到150 kN的附加轴力。

关键词：盾构隧道桩基穿越既有桥梁自动化监测地表沉降桩土相互作用

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局部水力交互下盾构隧道渗流与力学响应研究

岩土力学 2023年第4期44卷 1179-1189页

作者：谢家冲黄昕金国龙张子新同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 中船第九设计研究院工程有限公司上海200063

针对有压盾构隧道中接缝水力劣化所引发的内外水力交互渗流问题,基于水力开度理论,通过数值和解析方法研究局部渗流下隧道衬砌与周围地层的渗流特性和力学响应。结果表明:基于镜像法推导的衬砌隧洞多点渗漏下渗流场解析解与数值解吻合良... 详细信息

针对有压盾构隧道中接缝水力劣化所引发的内外水力交互渗流问题,基于水力开度理论,通过数值和解析方法研究局部渗流下隧道衬砌与周围地层的渗流特性和力学响应。结果表明:基于镜像法推导的衬砌隧洞多点渗漏下渗流场解析解与数值解吻合良好,验证了给出的局部渗漏数值模型的有效性;局部外水内渗与内水外渗诱发的衬砌与地层共同作用存在较大差异,前者导致局部孔隙水压力降低引起土体挤压衬砌,衬砌轴力减小而弯矩增大从而产生衬砌外凸,后者则相反;多点局部渗漏对渗流场和衬砌响应的影响存在耦合作用,当内水压接近地层水头时可能出现外水内渗与内水外渗并存的特殊水力交互情况;地层渗透系数对局部渗漏行为的影响较大,复合地层下当局部渗漏发生于高渗透性地层时,其诱发的衬砌响应不显著,当渗漏处于下部低渗透性地层时,在地层交界面存在渗流折射现象,上部高渗透性地层起到补(排)水作用。

关键词：有压隧洞局部渗漏内水外渗接缝开度衬砌响应镜像法

上软下硬地层盾构上穿既有地铁双线隧道的工程实例分析

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建筑结构 2022年第S1期52卷 2849-2854页

作者：麻歆王军华谢家冲黄昕王璐中国建筑第四工程局有限公司广州510665 同济大学地下建筑与工程系上海200092

为了探究在上软下硬地层中新建盾构隧道上穿对既有双线隧道的影响,依托深圳某新建盾构隧道上穿工程案例,基于自动化监测数据结果探讨了开挖引起的隧道位移时空效应及既有双线间的相互作用机制。结果表明:上部穿越对先穿越的下行线影响更... 详细信息

为了探究在上软下硬地层中新建盾构隧道上穿对既有双线隧道的影响,依托深圳某新建盾构隧道上穿工程案例,基于自动化监测数据结果探讨了开挖引起的隧道位移时空效应及既有双线间的相互作用机制。结果表明:上部穿越对先穿越的下行线影响更大,穿越过程中区间隧道发生抬升和沿掘进方向的水平位移;既有区间的沉降时程曲线可分为先期沉降、穿越隆起、穿越后变形和后期变形稳定4个主要阶段;相比软土地层,上软下硬地层区间隧道沉降变形小,未出现穿越后的较大隆起现象,且后期变形能逐渐恢复至初始状态;既有双线间的相互作用在先期沉降中表现为先穿线对后穿线的隔离保护作用为主,在穿越下行线时,双线均有不同程度隆起,而后在穿越上行线时仅有上行线表现出继续隆起,卸载产生的附加应力对下行线的作用不显著。

关键词：盾构隧道上部穿越既有隧道自动化监测上软下硬地层

盾构上穿下既有双线隧道相互作用机制的三维数值分析

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中外公路 2023年第6期43卷 247-252页

作者：张宝刚谢家冲黄昕中国建筑第四工程局有限公司广东广州510665 同济大学地下建筑与工程系上海市200092

为了探究隧道在穿越双线过程中既有双线间的协同变形与相互作用机理,依托深圳某输水隧洞上穿既有地铁区间工程,并建立模拟穿越全过程的三维数值模型。基于实测数据验证模型的有效性,讨论既有双线间的土-结构相互作用机理。研究结果表明... 详细信息

为了探究隧道在穿越双线过程中既有双线间的协同变形与相互作用机理,依托深圳某输水隧洞上穿既有地铁区间工程,并建立模拟穿越全过程的三维数值模型。基于实测数据验证模型的有效性,讨论既有双线间的土-结构相互作用机理。研究结果表明:既有双线间存在协同变形作用,相比于穿越单线,穿越双线为更不利情况;后穿越的上行线对下行线的影响较小,主要作用于穿越期间;先被穿越的下行线对上行线的影响较大,且影响贯穿穿越上行线全过程;与穿越单线相比,穿越双线对既有隧道的变形趋势、地表沉降也有明显的影响。

关键词：盾构隧道隧道穿越既有双线相互作用数值模拟

考虑管片与接头非线性行为的盾构隧道衬砌结构响应分析

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考虑管片与接头非线性行为的盾构隧道衬砌结构响应分析

作者：谢家冲浙江大学

学位级别：硕士

地铁作为关系民生的重大社会工程,已成为现代城市交通网络必不可缺的一环。其社会重要性也对盾构隧道提出了更高的结构稳定和运营安全要求。而在实际运营过程中,衬砌的开裂掉块和渗水湿渍等病害普遍存在,管片本体与接头行为均存在明显... 详细信息

地铁作为关系民生的重大社会工程,已成为现代城市交通网络必不可缺的一环。其社会重要性也对盾构隧道提出了更高的结构稳定和运营安全要求。而在实际运营过程中,衬砌的开裂掉块和渗水湿渍等病害普遍存在,管片本体与接头行为均存在明显的非线性,因此,针对盾构隧道的非线性响应,尤其是在隧道周围岩土体共同作用下的衬砌变形与开裂损伤机理具有重要的工程意义。盾构隧道的响应机制复杂,从其局部至整体结构来看均存在明显的非线性力学行为:纵向接头被认为是衬砌的薄弱环节,衬砌轴力相关的转动刚度已有明确表达,然而在整体分析中仍经常被线性简化考虑;管片本体具备一般梁的开裂与破坏机制,衬砌开裂与接头转动行为存在一定耦合行为;当将衬砌周围土体纳入考虑时,土体与衬砌的共同作用很大程度上影响了隧道结构的服役性能与安全储备。鉴于此,本文基于非线性数值分析手段,考虑了接头、管片本体的材料非线性,并采用非线性弹簧或非线性界面单元对土与结构的相互作用进行模拟,另外与实测数据和已有试验进行了对比验证,结果在一定程度上阐明了结构的响应机理,主要的研究内容与成果如下:（1）基于已有试验结果,验证了单个管片的数值模型的有效性,弥散裂缝模型和嵌入式钢筋网能够较准确模拟混凝土与钢筋及其界面的非线性行为。针对旋转裂缝模型、固定裂缝模型和多向固定裂缝模型三种弥散裂缝模型的适用性展开探讨,同时对结构非线性分析中重要的网格尺寸和断裂能展开参数分析,并提出建议取值,为进一步考虑衬砌整体非线性行为打下基础。（2）建立了基于地层结构法的二维数值分析模型,考虑了土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征吻合,验证了该数值分析模型的有效性。基于模型针对堆载参数、隧道埋深和管环旋转角度展开参数分析,基于计算结果给出了整体开裂指标与衬砌收敛变形之间的定量关系。（3）基于软土地区某城市地铁1号线隧道实测数据,统计分析了该地区地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点,结果表明管片裂缝的分布密度与隧道收敛位移具有明显关联性。基于建立的二维地层结构法数值模型展开关于土体参数的敏感性分析,计算结果阐明了管片开裂特性与影响因素。（4）针对考虑管片开裂软化行为与否对衬砌整体响应结果的差异影响,建立了基于Janssen接头的壳-弹簧单环衬砌三维模型,同时以线性材料管片模型为对照组,通过不同地层条件和荷载模式的参数分析阐明了管片开裂软化的影响机理。（5）借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,在前一章的基础上基于数值分析的方法建立了土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。基于模型对侧压力系数和土体刚度展开了参数分析,阐明了土体与衬砌椭圆化变形的共同作用机理。

关键词：盾构隧道衬砌开裂管片接头非线性响应土与结构相互作用数值模拟

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地面堆载作用下盾构隧道管片开裂行为分析

铁道科学与工程学报 2021年第1期18卷 162-171页

作者：谢家冲王金昌黄伟明浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058

针对盾构隧道管片的非线性响应提出一种基于地层结构法的数值模拟手段,考虑土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,将能够准确描述混凝土受拉压与剪切行为的总应变开裂模型赋予衬砌管片。针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降... 详细信息

针对盾构隧道管片的非线性响应提出一种基于地层结构法的数值模拟手段,考虑土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,将能够准确描述混凝土受拉压与剪切行为的总应变开裂模型赋予衬砌管片。针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征吻合,验证了该数值分析模型的有效性。引入最大裂缝宽度、开裂因子和开裂率等指标评价及预测衬砌开裂行为。研究结果表明:堆载作用下管环的主要损伤区扩展,深度增加,并萌生出宏观裂纹。基于对上、下行线开裂行为的对比分析可知堆载高度和堆载偏移距离对管片开裂行为有重要影响。

关键词：地面堆载盾构管片结构损伤结构响应混凝土开裂

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盾构隧道衬砌非线性力学响应分析综述

隧道建设（中英文） 2021年第S2期41卷 22-35页

作者：王金昌谢家冲黄伟明浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 浙江大学平衡建筑研究中心浙江杭州310058 同济大学地下建筑与工程系上海200092 温州大学建筑工程学院浙江温州325035

为探明衬砌构件和土体环境对盾构隧道衬砌非线性力学响应的影响,首先,阐述基于试验得到的纵缝接头转动刚度受轴力和弯矩控制的特点,总结在解析与数值方法中考虑接头非线性的迭代计算方法;然后,综述关于管片本体的开裂特性与承载能力的... 详细信息

为探明衬砌构件和土体环境对盾构隧道衬砌非线性力学响应的影响,首先,阐述基于试验得到的纵缝接头转动刚度受轴力和弯矩控制的特点,总结在解析与数值方法中考虑接头非线性的迭代计算方法;然后,综述关于管片本体的开裂特性与承载能力的试验成果,列举考虑管片开裂非线性的常用数值方法,并指出混凝土开裂对衬砌整体有一定不利影响,但接头行为才是主导因素;接着,总结在常用计算方法中土体非线性的处理方式,给出几种能够进一步考虑土体作用的试验方法;最后,展望盾构隧道结构非线性分析方法的发展趋势,建议深入开展多因素耦合的接头抗弯特性、材料劣化和疲劳作用下的管片本体开裂软化行为、考虑时空效应的土与衬砌相互作用等方面在盾构隧道非线性力学响应中的研究,进一步建立各类接头、多向弹簧的材料参数库,明确衬砌渐进性破坏机制,完善基于大数据的盾构隧道快捷计算分析方法。

关键词：盾构隧道结构非线性衬砌接头管片开裂土与衬砌相互作用响应分析

土体参数对盾构隧道衬砌与土体共同作用影响分析

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隧道建设（中英文） 2021年第S1期41卷 247-255页

作者：谢家冲王金昌周高云陈页开浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 华南理工大学土木与交通学院广东广州510640

为了解决在盾构隧道结构分析中土与结构共同作用如何有效考虑的问题,借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,基于数值分析的方法建立土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模... 详细信息

为了解决在盾构隧道结构分析中土与结构共同作用如何有效考虑的问题,借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,基于数值分析的方法建立土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。针对侧压力系数和土体刚度展开参数分析,研究结果表明:1)随着侧压力系数和土体刚度的减小,衬砌椭圆化变形增加,同时衬砌拱顶弯矩增加,纵向接头的相对转动主导了衬砌的椭圆化变形;2)随着侧压力系数的增加,土体高应力分布区由拱顶月牙形朝环周均匀分布转变,拱腰侧低应力区逐渐消失,同时隧道椭圆化变形趋于0;3)土体刚度对土体应力分布改变影响较小,但随着土层刚度的增加,衬砌环周应力条件被明显改善,拱顶的椭圆化荷载同样有朝环周均布荷载转变的趋势。

关键词：盾构隧道共同作用接头非线性连续介质模型侧压力系数土体刚度

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杭嘉湖平原软土地区某高速公路软基处理评价

低温建筑技术 2022年第5期44卷 97-100页

作者：管红辉古海东任超谢家冲周高云浙江大学建筑工程学院杭州310058 浙江省交通规划设计研究院杭州310011 浙江公路水运工程咨询公司杭州310006

针对杭嘉湖平原区某高速公路,研究了不同软基处理方式的应用情况,并根据沉降监测数据进行理论预测分析,给出了各种软基处理方式处理效果的定量评价分析方法与评价结果。研究表明杭嘉湖平原地区广泛分布中浅层软土;在一般路段应用塑料排... 详细信息

针对杭嘉湖平原区某高速公路,研究了不同软基处理方式的应用情况,并根据沉降监测数据进行理论预测分析,给出了各种软基处理方式处理效果的定量评价分析方法与评价结果。研究表明杭嘉湖平原地区广泛分布中浅层软土;在一般路段应用塑料排水板堆载预压法十分普遍,且当预压期充足时,处理效果较优;水泥搅拌桩和塑料套管桩在桥头路段的的处理效果并不理想;预应力管桩在结构与非结构路段都取得了较好的处理效果。研究成果可为今后类似项目的软基处理方案选择提供参考和借鉴。

关键词：软基处理定量评价双曲线沉降预测工后沉降