层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

盾构在矿山法隧道中推进监测分析

以某地铁盾构在先期施工的矿山法隧道中推进为背景,对盾构空推施工时管片的受力变化过程进行了详细的监测和分析,对盾构施工过程中管片受到周围土体的压力变化和管片钢筋内力变化规律进行了总结,管片受到的土压力随时间变化分为两个明显阶段,土压力沿环向分布极不均匀,整体土压力值不高;壁后压浆后,隧道底部管片的钢筋轴力不断增大,但隧道顶部管片钢筋轴力变化不明显。     

不同荷载作用下TBM隧道管片数值模拟分析

介绍了TBM施工荷载的种类和产生原因,通过ANSYS有限元软件,从围岩压力、千斤顶推力、注浆压力等方面,模拟了不同荷载对管片结构内力及变形的影响,研究发现:偏心的千斤顶推力是管片产生受力和变形的最不利施工荷载,在盾构施工时应合理设计,避免出现应力集中现象,导致管片的破坏。     

黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力研究

为研究黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力,引入黄土的结构性参数对芬纳公式进行修正,基于围岩与衬砌间的相互作用关系求解了围岩塑性区半径表达式,给出了黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力的计算公式。并以某黄土深埋大直径盾构隧道为例,分析了应力比结构性参数对围岩压力的影响,并将三维有限元数值计算与理论分析结果进行了对比。结果表明,围岩塑性区半径和作用在管片结构上的围岩压力随着应力比结构性参数减小在不断增大;盾构掘进后围岩压力的最大值与黄土结构性参数为1时的围岩压力理论计算值比较吻合,盾构施工扰动会导致黄土结构性减弱。最后给出了黄土盾构隧道施工与管片设计的建议。     

盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌内水压下破坏机理试验研究

利用1∶1原型试验对盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌在内水压下的受力变形规律及破坏模式展开研究。试验结果表明,盾构管片接头是双层衬砌抗拉薄弱位置,内衬环面临近管片接头处首先产生裂缝然后逐渐接近均匀分布;盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌受力破坏过程可以大致分为4个阶段：(1)线弹性阶段,该阶段衬砌受力变形随内水压的增加线性变化;(2)内衬开裂阶段,内衬开裂后钢纤维发挥桥接作用,内衬环向抗拉刚度逐渐降低,盾构管片分担的内水压比例逐渐上升,内衬轴力逐渐由钢筋承担;(3)内衬开裂稳定阶段和接头损伤阶段,该阶段内衬残余刚度趋于稳定,管片分担的内水压比例不再增加,随后部分管片接头对应混凝土出现压损,管片抗拉刚度下降;(4)衬砌破坏阶段,内衬钢筋逐渐屈服,最终部分盾构管片接头出现严重破坏。原型试验的结果揭示了盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌在内水压作用下的破坏过程和机理,可为工程实践提供参考。     

盾构隧道已开裂管片的受力变形特性

结合广州地铁某已运营的盾构区间隧道现状,通过采用三维Goodman单元来模拟管片已存在的裂缝,对盾构区间隧道已开裂管片的裂缝深度变化对管片结构造成的影响进行了分析,同时也对侧向土压力、地基弹簧系数以及地下水位等几种重要因素对管片受力变形特性的影响进行了评估。研究表明,随着裂缝深度的增加,管片砼的拉应力、压应力虽然达到最大值,但变化幅度并不大。但当裂缝接近径向贯通的时候,钢筋的拉应力值会大大增加,有可能超过允许值。同时,在盾构管片存在既有裂缝的情况下,盾构管片的最大拉应力值、水平和竖向收敛值、竖向沉降值均随侧向土压力系数、地基弹簧系数的减少而增大,同时随地下水位埋深的增大而增大。根据研究结果,对该区间隧道盾构隧道的裂缝等病害采取了针对性修复措施,目前无新的裂缝出现,总体处于稳定及安全的状态。     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

浅埋盾构隧道土压力浅论

本文采用数值分析的方法,研究了不同埋深下盾构隧道所承受围岩压力的变化规律,并与传统理论解进行了对比分析,提出了修正浅埋隧道围岩压力计算公式的一些建议。合理地评价盾构隧道垂直土压力的松动效应,对盾构隧道管片的合理设计具有一定指导意义。     

适应灰岩地区的地铁隧道盾构管片结构优化

为了研究适应灰岩地区的地铁隧道盾构管片结构优化，以贵阳地铁3号线一期工程高新路口站—师范学院站盾构区间为工程背景，通过综合选取围岩参数，对管片参数进行优化，并创新性地提出防排水结构的优化方案，分析管片的变形、受力及内力，优化管片的厚度，总结并优化管片制作材料，提高地铁隧道施工效率和质量，为后续类似工程提供经验。     

南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构受力分析

地应力和地下水问题对深埋长隧洞衬砌的设计及施工具有重大影响。通过数值计算对南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构进行了受力分析,研究了围岩变形及水压力对管片衬砌结构的影响。初步研究结果表明:约90%的洞段稳定性较好,围岩变形对管片衬砌结构影响较小,可采用管片衬砌;隧洞沿线外水压力较高,是影响衬砌设计的主要因素,应采取适当的排、堵措施降低外水压力对管片衬砌结构的作用。研究结果为南水北调西线一期工程隧洞衬砌设计提供了依据。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较.研究结果表明:盾构掘进过程会引起...     

Study on inner force and dislocation of segments caused by shield machine attitude

Attitude deflection of shield machine is inevitable in process of driving forward, therefore, the tail brush, circular shape retainer and even shell of shield machine will extrude the exterior surfaces of segments. The squeezing action acting on segments causes dislocation, stress concentration and even crack in segments. Finite element code, ADINA, was used to analyze numerical tunnel model of 9 segment rings. The loads acting on different segment rings included squeezing action of tail brush under four attitude deflection, jacking forces, grouting pressure and earth pressure. The aspects of analysis included displacement feature and stress distribution. The analysis results indicate attitude deflection of shield machine causes biggish dislocation between segments, and the key segment is the most affected and weakest part in same ring which causes irregular displacement and dislocation in whole tunnel structure. In general, under squeezing action induced by shield machine, circumferential seam is much more affected than longitudinal seam. The squeezing action causes the segment dislocation exceed the limiting dislocation value which means curved bolt has extruded bolt hole and crack or breakage frequently concentrates in key segment and adjacent segment. Deflection of shield machine attitude is inevitable, but two deflection attitudes, including shield machine attitude deviates right direction and the head of shield machine goes down, should be avoided.     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

考虑稠度空间分布的盾构壁后注浆扩散模型

盾尾脱离管片后,在土体与盾构隧道管片间形成一个环形柱状空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆,是控制地层应力释放和地层变形的重要手段。注入土体的浆液会对管片造成一定压力,易导致管片错台、开裂。基于半球面扩散原理,考虑浆液在空间分布上的不均匀性,研究了幂律型浆液的稠度时空分布,获得浆液压力分布与浆液作用于管片的压力计算公式。通过实例分析,对比是否考虑浆液稠度空间分布计算结果,同一扩散半径处,考虑浆液稠度空间分布时,浆液压力较大,浆液作用在管片上的力计算结果为不考虑时的2倍,考虑浆液稠度空间分布的计算结果对于工程而言是偏于安全的。建议计算幂律流型浆液作用在管片上的压力时,采用本文提出的考虑浆液稠度空间分布的计算公式。     

盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用

针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法.在有限元分析中考虑了盾构衬砌接头的转动效应和盾尾部位注浆材料在施工中由液态向固态转化的凝固过程,并采用作者提出的梁-接头不连续模型与注浆材料的变刚度等效法来模拟其力学变化.将建立的施工模拟有限元软件应用于大阪地铁7号线盾构隧道施工的力学分析中,并对在均布和非均布注浆压力下,土压力及衬砌内力的计算值与实测值作了比较分析,发现非均布条件下的计算值较均布条件下的计算值接近于实测值.     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。