大断面类矩形盾构隧道管片接头极限抗剪切承载力试验研究

类矩形盾构隧道具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点,在城市高密度区域具有广泛的应用前景。相较于广泛使用的圆形隧道,类矩形隧道由于自身成拱效应较差,隧道肩部接头结构易产生较大的剪切荷载,有必要对接头的剪切性能进行研究。文章以某大断面类矩形盾构隧道为原型,以混凝土管片接头为试验对象,采用足尺试验方法对其抗剪切性能进行研究,归纳宏观破坏现象,获得了剪轴比(接头剪力/轴力)-相对错台量关系等整体力学响应特性,得到了剪力-螺栓应变曲线和剪力-混凝土表面应变等局部力学响应特性,并引入数字照相分析技术(DIC)对接头结构的开裂破坏全过程进行记录,分析剪切裂缝的扩展规律,最后对结构的抗剪承载性能进行评价。基于试验数据总结了管片错台随剪轴比的"四阶段"变化规律:克服摩擦阶段(剪轴比小于0.4)、间隙闭合阶段(剪轴比为0.4～0.75)、抗剪强化阶段(剪轴比为0.75～2.76)、屈服破坏阶段(剪轴比大于2.76)。试验结果表明,剪切荷载作用下该断面形式的大断面类矩形盾构隧道接头抗剪切屈服剪轴比为2.76,具有较好的抗剪切承载性能。研究成果可以为类似类矩形盾构隧道工程提供理论支撑和技术参考。     

矩形盾构管片接头抗剪试验研究

某一大型隧道拟采用矩形盾构施工,其管片接头处除弯矩和轴力外,剪力作用也不容忽视。通过对2组管片接头的现场抗剪试验研究,验证其抗剪承载能力。研究了矩形盾构接头在复合抗剪、考虑安装误差、凹凸榫单独抗剪3种工况下的性能,具有一定的指导意义。     

大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

 针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。     

天津地铁1.2 m管片环间榫式接头抗剪性能分析

采用有限元模拟的方法,结合能够反映管片开裂全过程的塑性损伤本构,建立了混凝土管片结构的三维精细化数值计算模型,针对地铁盾构隧道通用楔形管片榫式接头抗剪性能展开详细的分析,明确得到了隧道衬砌结构环缝受剪的全过程,系统地研究了管片环间榫式结构受剪时的损伤范围及损伤高度、环缝极限剪切承载力以及环缝抗剪刚度。最后,通过建立30组模型详细分析了不同榫槽尺寸对接头抗剪性能的影响,提出了环缝极限剪切承载力和损伤高度的经验公式。研究结果表明:管片损伤主要分布在接头凹槽部位,以受拉损伤为主,内剪情况下凹槽内弧面损伤破坏是左环间接头失去抗剪能力的主要原因。环缝极限剪切承载力和损伤高度均随榫槽角度的增大而减小,随榫槽深度的增大而增大。研究结果为进一步探讨隧道管片凹凸榫槽接头的力学性能提供参考。     

盾构衬砌整环破坏机理研究

以某盾构衬砌整环原型试验作为研究对象,利用提出的接头和管片破坏指数对盾构衬砌环的破坏机理进行了研究,研究表明：①接头破坏指数和管片破坏指数以及开裂弯矩等指标可以对盾构衬砌的实际受力状态进行追踪,可以阐述、解释盾构衬砌环的破坏机理；②对于本文所依据的盾构原型试验而言,盾构衬砌环破坏历程是由接头开始开裂、管片开始开裂、首个管片塑性铰形成、接头开始屈服（接头开始丧失承载力）、多个管片塑性铰形成、整环承载力丧失等阶段构成；③多个塑性铰的形成是导致盾构环承载力丧失的直接原因,塑性铰开始位置、发展顺序取决于关键截面及其排序情况。     

偶然性内爆炸作用下盾构隧道的破坏特性分析

 针对拼装组合式盾构隧道的防爆炸灾害设计需要,建立考虑管片–管片、管片–螺栓及管片与周围土体界面接触效应的盾构隧道爆炸动力响应三维有限元分析模型,以典型的地铁区间盾构隧道为例,计算分析内爆炸对盾构隧道结构的破坏机制,揭示管片和连接螺栓的破坏特征,比较研究盾构隧道与整体现浇隧道的抗内爆炸特性。实例分析表明：盾构隧道结构的抗爆性能劣于整体现浇的隧道结构,管片接头是盾构隧道抗内爆炸的最薄弱部位,提高连接螺栓的强度和延性可改善盾构隧道的抗爆特性。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

结构参数对异形断面盾构隧道管片力学特性的影响研究

为研究设计参数对矩形盾构隧道装配式衬砌结构受力的影响,采用ANSYS有限元软件,建立了矩形盾构隧道装配式衬砌内力计算的梁-弹簧模型,探讨了断面形式、分块数量、管片厚度和接头刚度对管片内力的影响规律。计算结果表明:4种典型矩形盾构隧道结构断面形式中,类椭圆和曲墙曲拱断面的异形断面断面受力状况较优。不考虑接头位置,仅分块数量的改变对管片内力的影响相对较小。随着管片厚度的增大,管片的内力均有所增大,管片厚度的改变对剪力影响最明显,对轴力的影响小。接头刚度的改变对管片弯矩和剪力的影响明显,对轴力的影响较小,接头刚度的影响呈现明显的区段性,在接头刚度较小时变化较快,之后变化趋于平缓。     

深埋排水盾构隧道钢纤维混凝土高刚性接头受力特性试验研究

为解决深埋排水盾构隧道管片衬砌的受力和变形问题,需在管片结构中采用高刚性接头。高刚性接头构造复杂,在施工及承载过程中容易出现接头位置混凝土开裂及手孔局部破坏现象,进而影响接头的承载与防腐性能。对钢纤维混凝土(SFRC)和钢筋混凝土(RC)高刚性管片接头开展正弯矩试验,研究钢纤维对深埋排水盾构隧道高刚性接头受力性能的影响。研究结果表明：在高刚性接头中掺入适量钢纤维可有效提高接头的承载及抗裂能力。SFRC高刚性接头和RC高刚性接头的混凝土开裂荷载相同,但SFRC高刚性接头达到正常使用极限状态时的荷载抗力为RC高刚性接头的1.2倍。与RC高刚性接头相比,SFRC高刚性接头的承载力提高约15%;且接头破坏后,SFRC高刚性接头受压区与手孔附近混凝土裂缝的数量、宽度及分布范围相较于RC高刚性接头明显减小。     

大断面盾构隧道施工抗浮计算研究

基于大断面盾构隧道施工中经常碰到的上浮问题,首先讨论了盾构隧道施工中管片上浮的原因:水、注浆所用浆液、泥水盾构所用泥浆等所产生的浮力,以及建筑间隙的存在、施工过程对上覆土的扰动等,都可能是盾构管片上浮的原因.进而对盾构隧道抗浮问题进行了计算分析,在上覆土荷载及管片自重荷载之和小于管片所受浮力的情况下,重点考虑了邻接管片对上浮管片的约束作用(管片环间的摩阻力以及管片纵向连接螺栓自身的抗剪切能力),以及剩余力对上覆土产生的压缩效应.分析结果表明:隧道上浮问题的产生与否不仅与管片自重、上覆土荷载以及受到的浮力大小有关,也与管片本身特性有关;隧道抗浮控制既可以从改善上覆土性能,增加上覆土厚度入手,也可以从改善管片自身受力性能入手,诸如增加纵向螺栓数量、加大螺栓直径、加大螺栓紧固力、设置剪力键等.     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究.研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度...     

类矩形盾构施工对地下管线影响的模型试验研究

类矩形盾构隧道开挖使土体以不均匀沉降形式作用于地下管线,导致管线产生纵向变形、破坏。针对类矩形盾构隧道施工,采用室内缩尺寸模型试验,综合考虑管隧相对位置、管线埋深及土体损失率3个影响因素,研究类矩形盾构隧道在砂土地层中施工,地下管线沉降、变形及地表沉降的规律变化。研究结果表明:管隧垂直工况时,管线竖向位移曲线呈高斯分布,竖线位移反弯点出现在隧道轴线附近处,管线弯矩呈"M"型分布,最大竖向位移及弯矩位于隧道轴线正上方;管隧斜交工况所受影响比管隧垂直工况影响更大;管线埋深越大,管线受影响程度越深;管线竖向位移随土体损失率减小相应降低,隧道轴线正上方管线竖向位移与管线最大正弯矩及两个较大负弯矩减小幅度较大,管线两端受影响程度较小;地表沉降受土体损失影响较大,沉降值比管线大。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

连接螺栓对类矩形盾构隧道结构极限承载力影响的试验研究与分析

针对类矩形盾构隧道衬砌结构纵向接缝处弯矩正负性确定的特点,对纵向接缝连接螺栓位置进行了优化。基于结构整环足尺试验结果,对比分析了优化前后衬砌结构整体变形、接缝变形和螺栓应变的发展,研究了优化前后结构设计阶段受力性能、破坏机制、极限承载力和鲁棒性的异同。研究结果表明：①螺栓位置优化对结构设计阶段受力性能影响较小;②优化后结构在带缝工作阶段的受力性能明显提升,结构整体刚度提高,极限承载力提高30%;③优化后结构破坏呈延性破坏特征,属于塑性铰机制,结构结构整体安全性得到提高。     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

盾构推进轴线控制技术

近年来,随着城市轨道建设的发展,大量盾构隧道工程的兴建,施工中经常出现盾构机偏离轴线或不能正常进洞现象。作者结合上海地铁M8线工程实际,就盾构隧道施工轴线控制技术有针对性地进行探讨。