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盾构管片受力的有限元分析及健康监测

盾构管片受力的有限元分析及健康监测

作者：王浩男沈阳工业大学

学位级别：硕士

科技的日新月异,时代的不断发展,乡村城市化与交通多样化成为我国的必然选择。城市的发展与交通的便捷有着密不可分的关系,城市地铁对人民来说不再遥远,盾构法施工对于城市地下交通的建立有着重要影响。盾构管片作为盾构隧道中最外围部... 详细信息

科技的日新月异,时代的不断发展,乡村城市化与交通多样化成为我国的必然选择。城市的发展与交通的便捷有着密不可分的关系,城市地铁对人民来说不再遥远,盾构法施工对于城市地下交通的建立有着重要影响。盾构管片作为盾构隧道中最外围部分,是整个隧道中的骨架,管片衬砌结构的质量保障着隧道内部的安全,因此,对盾构管片进行力学分析尤为重要。为保证盾构管片的稳定与安全,本文以甘肃某隧道区间为背景,通过ANSYS有限元软件对管片进行力学性能分析。目前在受力分析方面绝大部分学者仅从弯矩、剪力、轴力来考虑,本文对内力和应力进行分析,并对管片智能监测问题,进行了健康监测设计。内容如下:(1)采用荷载-结构法,通过荷载计算利用ANSYS建模,对管片进行全周施加弹簧单元,删除受拉弹簧建立了盾构管片的有限元模型。在直径不同的四种工况下对管片的弯矩值、剪力值、轴力值和位移进行分析。(2)通过不同拼装方式和不同埋深两种情况,对管片衬砌结构的位移、应力、接触和变化规律进行分析。结果表明,在不同拼装方式下当错缝角度为12.5°时,第一主应力、von Mises应力、剪切应力、环向应力最大。错缝角度为25°时,管片第三主应力、径向应力和纵向应力最大。随着埋深的增加,管片结构的应力值和位移值增大。拼装方式不同与埋深不同两种情况下管片块间的接触滑动与应力均大于环间。(3)设计了一种以石墨烯/h-BN为敏感元件的谐振式压力传感器,通过理论分析及模型仿真证明其可行性。研究基于BIM技术的盾构管片健康监测,应用BIM软件对管片结构进行三维建模,利用BIM技术对盾构隧道管片的监测信息进行可视化预警。

关键词：盾构隧道管片有限元管片受力健康监测

基于地层‑注浆体‑管片协同作用的海底盾构隧道受力研究

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防灾减灾工程学报 2023年第2期43卷 373-386页

作者：施有志赵花丽林树枝厦门理工学院土木工程与建筑学院福建厦门361024 厦门市交通运输局福建厦门361001

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以... 详细信息

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。

关键词：海底盾构隧道数值模拟浆液力学特性海水位变化管片受力

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

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中国公路学报 2018年第9期31卷 112-118页

作者：林荣安刘伯莹同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 中国交通建设股份有限公司北京100088

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS... 详细信息

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明:(1)土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。(2)随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。(3)随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。(4)现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。

关键词：隧道工程淤泥质软土现场试验管片受力

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

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中国铁道科学 2012年第1期33卷 47-53页

作者：李宇杰何平秦东平北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京市轨道交通建设管理有限公司北京100037

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型... 详细信息

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。

关键词：盾构隧道盾构管片管片受力混凝土弹塑性损伤本构模型三维非连续接触计算模型惯用法计算模型

类矩形盾构隧道管片施工受力性能数值模拟分析

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中州大学学报 2022年第4期39卷 112-118页

作者：张欢欢汪菁郑州工程技术学院土木工程学院河南郑州450044

以宁波轨道交通三号线类矩形盾构段为工程背景,采用PLAXIS 2D有限元软件构建了类矩形盾构隧道管片在施工过程中的数值模型,研究类矩形盾构施工注浆率、隧道埋深和土层条件等参数对地表竖向位移的影响,并给出类矩形盾构管片的结构受力特... 详细信息

以宁波轨道交通三号线类矩形盾构段为工程背景,采用PLAXIS 2D有限元软件构建了类矩形盾构隧道管片在施工过程中的数值模型,研究类矩形盾构施工注浆率、隧道埋深和土层条件等参数对地表竖向位移的影响,并给出类矩形盾构管片的结构受力特性。结果表明:提高施工注浆率能降低类矩形盾构施工时所引起的地表沉降;随着埋深增加,盾构隧道施工引起的地表沉降增加,类矩形管片的弯矩增大;针对不同土层的地表沉降量分析,同一埋深时类矩形盾构在粘土中的沉降量比在砂土中小,盾构管片在黏土中的弯矩幅值大于在砂土中的弯矩幅值。

关键词：类矩形隧道地表沉降管片受力有限元分析

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软土地区隧道管片受力与变形研究

河海大学学报（自然科学版） 2014年第1期42卷 50-56页

作者：黎春林铜陵学院土木建筑系安徽铜陵244000 东南大学岩土工程研究所江苏南京210096

根据无锡地铁原状土样的室内三轴蠕变试验,结合Bingham模型和Kelvin模型构建蠕变本构方程,采用最小二乘法回归土体蠕变参数,将此蠕变本构方程和弹塑性理论相结合推导出可以考虑时间因素的隧道周边地层特征曲线方程,给出求解隧道周边变... 详细信息

根据无锡地铁原状土样的室内三轴蠕变试验,结合Bingham模型和Kelvin模型构建蠕变本构方程,采用最小二乘法回归土体蠕变参数,将此蠕变本构方程和弹塑性理论相结合推导出可以考虑时间因素的隧道周边地层特征曲线方程,给出求解隧道周边变形和支护力随时间变化的一种简便实用的方法。结合无锡地铁1号线工程实例,分析管片支护力与变形随时间的变化规律。结果表明,考虑蠕变后随着时间的增加,相同支护力下会发生更大的变形,而限定某一变形需要更大的支护力;土体蠕变对管片支护力与洞周变形的影响还与管片的刚度有关。

关键词：软土地区隧道管片受力管片变形蠕变模型

复杂条件下小曲率半径盾构施工措施及管片受力分析

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水利技术监督 2023年第6期 251-254页

作者：燕珍尹峥周苏红彭小莉徐州市水利工程建设监理中心有限公司江苏徐州221000 徐州市水利建筑设计研究院有限公司江苏徐州221000

结合徐州市区奎河综合整治工程实际情况,对复杂条件下小曲率盾构施工难点以及应对措施进行分析,并对管片的受力情况进行研究。施工存在的主要难点包括:轴线控制难度大、管片易出现较大位移及错台、对地层扰动较大等。在施工过程中可根... 详细信息

结合徐州市区奎河综合整治工程实际情况,对复杂条件下小曲率盾构施工难点以及应对措施进行分析,并对管片的受力情况进行研究。施工存在的主要难点包括:轴线控制难度大、管片易出现较大位移及错台、对地层扰动较大等。在施工过程中可根据提出的应对措施进行施工,保证施工质量。经复核,管片受力情况满足要求,管片结构较为安全。

关键词：复杂条件小曲率盾构管片受力

南昌地铁3号线盾构隧道穿湖段管片受力特征研究

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现代隧道技术 2019年第S2期56卷 400-408页

作者：王凯赵辉周凯歌林宝刚陈中天西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031 中铁四局集团城市轨道交通工程分公司合肥230023

文章依托南昌地铁3号线下穿青山湖段工程,采用现场测试和数值模拟方法,研究了同等荷载条件下轴力和弯矩的分布情况。数值模型采用考虑接头和错缝拼装影响的梁-弹簧模型,通过对比分析现场测试、数值模拟和采用修正惯用法理论计算三者的结... 详细信息

文章依托南昌地铁3号线下穿青山湖段工程,采用现场测试和数值模拟方法,研究了同等荷载条件下轴力和弯矩的分布情况。数值模型采用考虑接头和错缝拼装影响的梁-弹簧模型,通过对比分析现场测试、数值模拟和采用修正惯用法理论计算三者的结果,主要结论如下:当掌子面远离测试断面5~6环时,衬砌圆环的轴力和弯矩均达到最大值,之后随着盾构继续向前推进而趋于稳定,且弯矩的稳定速度大于轴力的稳定速度;通过在盾构隧道模型下半部设置地层弹簧能更真实地模拟地基反力;考虑接头和错缝拼装影响的梁-弹簧模型与现场测试、采用修正惯用法理论计算的管片圆环受力结果基本一致,均呈现出轴力大、弯矩小的受力特征,说明可适当减少其配筋以降低施工成本。

关键词：盾构隧道现场测试管片受力梁-弹簧模型修正惯用法

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湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析

隧道建设 2016年第3期36卷 288-294页

作者：林伟波杨小平严振瑞李孟刘庭金华南理工大学土木与交通学院广东广州510640 广东省水利电力勘测设计研究院广东广州510635 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510640

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、... 详细信息

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、外侧的环向钢筋应力,并与现场的应力监测数据进行对比。研究表明:1)高水压作用下,单环管片衬砌的变形呈现"横鸭蛋形",且管片结构变形和接缝张开量均与外水压力变化呈线性关系;2)作用水头每增加10 m,衬砌结构中各接缝张开量绝对值约增加0.5mm;3)采用修正惯用法计算得到的钢筋应力与实测结果较为吻合,较好地反映了隧道管片的实际受力状态。

关键词：跨海盾构隧道高水压管片变形管片受力三维有限元精细模型修正惯用法