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Analytical model for the sealant performance of tunnel gasketed joints based on multi-scale contact and percolation theories

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Underground Space 2024年第1期14卷 319-337页

作者： jiachong xie Xin Huang Guolong Jin Department of Geotechnical Engineering College of Civil EngineeringTongji UniversityShanghai 200092China State Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering Ministry of EducationShanghai 200092China College of Civil Engineering&Architecture Xinjiang UniversityUrumqi 830047China China Shipbuilding NDRI Engineering Co. Ltd.Shanghai 200063China

The localised leakage in shield tunnels that mainly occurs at segment joints may induce other defects,which threatens operational *** obtain a universal solution for the sealant performance of gasketed joints,we proposed a novel analytical model based on the multiscale contact and percolation theories,in which the obtained percolation pressure and interfacial separation can be utilized to derive the critical water leakage pressure and leakage *** evolutionary process of leakage was divided into three stages(i.e.,the percolation,leakage and breakdown),which explicitly reveal the progressive hydraulic deterioration of gasketed *** gaskets still own partial waterproof capacity until the end of the leakage stage due to the remaining contact pressure at surface *** proposed model was first verified by several sets of experimental data,based on which the determination of three key model parameters(i.e.,self-sealing slope,sealing coefficient,and expel pressure)were discussed in *** parametric study indicates that the waterproof capacity is significantly affected by the joint opening,offset,and the surface roughness of the *** variation in waterproof capacity with joint opening is mainly due to the nonlinearity of the gasket’s modulus and self-sealing *** increase in joint offset can result in a lower waterproof capacity as well as a larger leakage ***’s surface roughness affects the percolation pressure and interfacial separation,which contributes to the long-term sealant performance.

关键词： Shield tunnel Gasketed joint Sealant performance Hydraulic deterioration Percolation theory Surface roughness Leakage rate

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内外水力交互下浅埋带压盾构隧道水土压力计算模型

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岩土工程学报 2024年第8期46卷 1685-1694页

作者：谢家冲黄昕金国龙张子新同济大学土木工程学院地下建筑与工程系上海200092 新疆大学建筑工程学院新疆乌鲁木齐830047 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 加泰罗尼亚理工大学土木与环境工程学院巴塞罗那08034

针对浅埋有压盾构隧道内外水力交互渗流下引起的松动水土压力变化,基于修正镜像法获得了考虑内水压的地层渗流场分布与水力梯度。随后基于考虑松动区内部应力分布的修正Terzaghi公式给出了考虑隧道内水压下的松动区任意位置的水土压力解... 详细信息

针对浅埋有压盾构隧道内外水力交互渗流下引起的松动水土压力变化,基于修正镜像法获得了考虑内水压的地层渗流场分布与水力梯度。随后基于考虑松动区内部应力分布的修正Terzaghi公式给出了考虑隧道内水压下的松动区任意位置的水土压力解,并与数值模拟结果进行了对比验证。主要结论如下:采用圆弧拱和抛物线拱的主应力轨迹线能够有效描述隧顶松动区应力分布情况;当地层渗透系数与衬砌渗透系数比值小于1000时,内压水头大小对水土压力的影响显著;内压水头的增加将减小松动区有效应力,引起上覆土体卸载,同时引起隧顶松动区总应力增大,表明该范围内孔隙水压的增长对水土压力的变化占据主导作用;5参数正交分析结果的线性回归分析结果表明隧道埋深和半径对土压力有显著的正向影响,土体摩擦角和黏聚力均表现为负向影响。在相对低渗透地层条件下,内压水头对隧顶有效应力和总应力分别表现为显著的负向和正向影响。

关键词：带压盾构隧道衬砌渗漏内水外渗松动土压力土拱镜像法

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Cohesive zone model-based analyses of localized leakage of segmentally lined tunnels

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Frontiers of Structural and Civil Engineering 2023年第4期17卷 503-521页

作者： jiachong xie Xin HUANG Zixin ZHANG Guolong JIN Department of Geotechnical Engineering College of Civil EngineeringTongji UniversityShanghai 200092China Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education Tongji UniversityShanghai 200092China China Shipbuilding NDRI Engineering Co. Ltd.Shanghai 200063China

This paper presents a novel approach for simulating the localized leakage behavior of segmentally lined tunnels based on a cohesive zone *** proposed approach not only simulates localized leakage at the lining segment,but also captures the hydromechanically coupled seepage behavior at the segmental *** is first verified via a tunnel drainage experiment,which reveals its merits over the existing local hydraulic conductivity ***,a parametric study is conducted to investigate the effects of the aperture size,stratum permeability,and spatial distribution of drainage holes on the leakage behavior,stratum seepage field,and leakage-induced mechanical response of the tunnel *** proposed approach yields more accurate results than the classical local hydraulic conductivity ***,it is both computationally efficient and *** leakage leads to reduced local ground pressure,which further induces outward deformation near the leakage point and slight inward deformation at its diametrically opposite side.A localized stress arch spanning across the leakage point is observed,which manifests as the rotation of the principal stresses in the adjacent *** seepage field depends on both the number and location of the leakage *** seepage zones,in which the seepage rate is significantly lower than that of the adjacent area,appear when multiple seepage zones are ***,the importance of employing the hydromechanical coupled mechanism at the segment joints is highlighted by cases of shallowly buried tunnels subjected to surface loading and pressure tunnels while considering internal water pressure.

关键词： segmentally lined tunnel localized leakage cohesive element hydraulic behavior numerical modeling

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地面堆载作用下盾构隧道管片开裂行为分析

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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

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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

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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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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

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软土地区盾构隧道管片开裂特性实测分析及影响因素研究

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隧道建设（中英文） 2020年第S2期40卷 180-187页

作者：谢家冲王金昌黄伟明赵洁黎戚幸鑫浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 杭州杭港地铁有限公司浙江杭州310014 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

基于某软土地区城市地铁1号线的实测数据,统计分析该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,区间隧道病害以密布于隧道拱顶的纵向裂缝为主,且分布规律与管环旋转角... 详细信息

基于某软土地区城市地铁1号线的实测数据,统计分析该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,区间隧道病害以密布于隧道拱顶的纵向裂缝为主,且分布规律与管环旋转角度相关。在此基础上,为探明软弱地层条件对盾构隧道带来的不利影响,基于断裂力学的非线性数值分析方法建立地层结构法有限元模型,模型中管片采用弥散开裂本构并嵌入简化的钢筋网单元,纵向接头通过考虑张开的间隙接触模型模拟。计算结果阐明了管片开裂的特性与影响因素,结果表明:1)随着地层土体弹性模量和侧压力系数的减小,在地应力条件下隧道损伤区域明显增加;2)随着埋深增加,当前主要开裂区与预测开裂区深度在原有基础上进一步扩展,从而引起隧道整体开裂率的上升;3)参数分析探明了实测拱顶裂纹分布规律的成因为封顶块位置的差异。

关键词：盾构隧道病害管片开裂结构非线性

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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

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基于应力叠加法的基坑开挖对邻近盾构隧道的影响研究

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科技通报 2021年第10期37卷 112-119页

作者：李俊王金昌谢家冲徐超浙江大学建筑工程学院杭州310058 浙江明燧科技有限公司杭州311416

杭州中心深大基坑工程位于市中心地段,地层条件以淤泥质土为主,紧邻某地铁车站,基坑环境保护要求高,基坑采取分区方案实施。为了综合考虑复杂岩土工程与既有结构的共同作用,给出了一种通过应力叠加方式的盾构隧道衬砌精细化分析方法,基... 详细信息

杭州中心深大基坑工程位于市中心地段,地层条件以淤泥质土为主,紧邻某地铁车站,基坑环境保护要求高,基坑采取分区方案实施。为了综合考虑复杂岩土工程与既有结构的共同作用,给出了一种通过应力叠加方式的盾构隧道衬砌精细化分析方法,基于PLAXIS3D和ABAQUS平台将地层结构法与荷载结构法2种分析方法有效联用。首先基于土体小应变刚度模型建立基坑与车站和区间隧道的三维有限元模型,随后将隧道的响应结果作为外荷载施加在精细化基床模型中。结果表明隧道纵向变形出现2个峰值点,以水平变形为主;隧道注浆加固能有效减小衬砌拱顶内测拉应力,抑制裂缝的发展;主动和被动控制措施的共同作用能很好地控制隧道变形。

关键词：基坑开挖隧道变形应力叠加法衬砌响应三维有限元

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