TBM高内压输水隧洞双层衬砌结构力学性能对比研究

TBM技术以其掘进速度快、成洞质量好、安全性高等优势,越来越多地应用在输水隧洞工程中。为充分利用深层地下空间,TBM输水隧洞一般埋深较大,内水压力高。为保证输水隧洞在高内水压情况下的结构安全,本文针对TBM输水隧洞分离式双层衬砌结构和叠合式双层衬砌结构分别建立了较为精细的二维有限元模型,进行了不同围岩条件下的计算分析,并得出以下结论:在高内压情况下,叠合式双层衬砌结构受力相对复杂,且受地质条件及施工因素的影响较大,而分离式双层衬砌结构传力路径清晰,不同地质条件下均具有较为稳定的力学性能,故对于TBM高内压输水隧洞,本文推荐采用分离式双层衬砌结构。     

双护盾TBM管片衬砌极限承载力分析

管片衬砌的极限承载力是高埋深引水隧洞能否采用双护盾TBM施工的关键难题之一。结合某电站引水隧洞,采用三维有限元法分析管片的极限承载力,并分析纵、环缝宽度、混凝土强度等级、管片厚度和围岩类别对其极限承载力的影响。管片能承担的最大外水压力与缝宽、混凝土强度等级和管片厚度基本呈线性关系,而与围岩变形模量基本呈二次曲线关系。在高内水压力条件下,缝宽、混凝土强度等级和管片厚度对管片纵缝张开量影响不大,而围岩变形模量对其影响较大。     

大坂膨胀性泥岩引水隧洞长期稳定性分析

 结合室内三轴蠕变试验与数值仿真技术,研究大坂引水隧洞膨胀性泥岩饱水状态下蠕变力学特性,建立泥岩非线性蠕变力学模型,并开展大坂引水隧洞TBM施工开挖、支护、长期运营过程的饱和渗流–应力耦合仿真计算。重点模拟TBM开挖预留变形、初次支护半年后顶管片和侧管片开裂破坏问题,以及采取锚杆、围岩注浆、二次衬砌和钢支撑相结合的联合二次支护措施后隧洞长期安全性的评价与设计验证问题,研究成果为引水隧洞的支护设计提供依据,对同类工程的研究具有一定参考意义。     

考虑接缝张开与变形影响的管片隧道抗震计算解析方法

基于管片间接触应力及张开变形的非线性及非连续性特性,提出了一种考虑管片间接缝影响的盾构隧道抗震计算解析方法。根据管片隧道在地震地层剪切变形作用下发生斜45°方向的最不利椭圆化变形,基于管片刚体及接头动刚度假设推导此时接头的动力位移响应(转角、位移),进一步通过管片之间(接缝)的接触条件假设,得到了衬砌结构的内力及管片接缝的接触面应力分布以及螺栓内力。与不考虑接头的Sedarat、Hashash方法进行对比后发现,管片衬砌结构的弯矩分布形态发生了较大的变化,且在管片接缝处可能出现局部混凝土压碎,对抗震条件下的接缝防水安全及结构整体稳定性极为不利,因此,考虑管片接缝局部应力和变形的影响,对盾构隧道的抗震设计计算是十分必要的。     

铁路隧道管片衬砌承受高水压分界值研究

铁路隧道一般位于山岭或水下的复杂地质环境中,面临着地下水的威胁,国内工程界对于管片衬砌所能承受的高水压一直没有明确的分界值。针对管片衬砌结构型式的特点,从接缝防水及结构受压承载能力两方面对高水压分界值展开研究。提出了管片衬砌结构高水压限界的定义及判定方法,求解了不同围岩级别、不同管片设计参数（混凝土强度等级、厚度）条件下的管片衬砌高水压承载能力。最后通过大比例尺模型试验对衬砌受水压作用的力学特征进行分析。研究结果表明：管片接缝在允许的张开量和错位量的前提下,同时考虑设计材料的应力松弛与老化,密封垫设计承受的最大水压能力约在 0.8 ～ 1.0 MPa 之间;管片环不同位置处的受压承载能力安全系数近似呈正弦曲线分布,拱顶及拱底位置为衬砌结构受力控制点,提高混凝土强度等级或加大管片厚度可以显著增加管片衬砌的受压承载能力;高水压条件下结构呈受压破坏,低水压条件下呈受拉破坏,一定范围内提升管片的外水压力,衬砌结构的轴力值增加明显,弯矩值变化幅度不大,对于结构受力是有利的。     

内水压条件下盾构隧道复合衬砌破坏机理原型试验研究

盾构输水隧道工程常采用复合衬砌结构型式，钢筋混凝土内衬具有施工便捷等优势成为常用内衬之一，但在内水压作用下容易开裂，钢筋混凝土内衬开裂后复合衬砌承载能力成为工程中设计的关键问题。本文对盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构展开原型试验，研究内水压作用下复合衬砌的全过程变形破坏规律，揭示复合衬砌内压承载机理。试验结果表明：(1)内外压差达到0.22MPa时，内衬开始开裂，内衬开裂后盾构管片承担更多内水压力，随着内水压增长，接头手孔处混凝土出现损伤，最终内外压差达到1.78MPa时，管片接头混凝土断裂，复合衬砌丧失承载能力；(2)管片接头是复合衬砌薄弱环节，裂缝首先产生于内衬临近盾构管片接头处，然后沿环向均匀增加，内衬产生裂缝后，混凝土通过与钢筋的黏结作用共同承担内水压力，因此随内水压增加内衬发生多次开裂；(3)内衬开裂、接缝损伤后复合衬砌抗拉刚度分别下降为其弹性状态时的23.8%,12.3%,内衬开裂对复合衬砌承载能力影响最为显著。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

压力隧洞衬砌-围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论,采用多孔弹性介质的渗流-力学耦合模型,研究了内水压力作用下隧洞衬砌-围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性,隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。     

压力隧洞衬砌–围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论，采用多孔弹性介质的渗流–力学耦合模型，研究了内水压力作用下隧洞衬砌–围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性，隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。     

无黏结预应力环锚衬砌力学特性原位加载试验研究

新型无黏结环锚衬砌具备预应力损失低、薄弱区小、施工便捷等优势,但因结构复杂致使力学特性不明确,阻碍了其广泛应用。依托引松工程总干线压力隧洞,开展了首次预应力环锚衬砌大型原位加载试验,明确了内水压加载过程中衬砌预应力重分布特征,揭示了环锚拉力、钢筋应力以及锚固应力损失变化规律,并探讨了围岩和环锚衬砌联合承载作用。原位试验表明:环锚衬砌整体预应力分布均匀,高效地利用了锚索高强抗拉性和混凝土抗压性,常规钢筋作用极小,因而整体可不配筋或仅构造配筋;锚具槽背后混凝土预应力稍薄弱,是高内水压作用下结构潜在破坏区域,但内水加载过程中衬砌环向、纵向预应力值趋于一致,将有效减缓预应力薄弱部位开裂倾向;环锚衬砌具备优越的抗拉和抗渗性能,可不依赖于围岩条件而独立承载,也可利用围岩部分承载以降低预应力设计值或增加结构安全裕度,它能为覆盖层薄、地质条件差且内水压力高的大直径压力隧洞长期存在的支护难问题,提供解决新途径。     

城市地铁双护盾TBM工法隧道衬砌结构受力特征研究

以深圳市城市轨道交通8号线一期梧沙区间隧道为依托工程,对“双护盾TBM工法隧道”施工期间管片衬砌外部压力和结构内力开展了现场跟踪测试,总结归纳出“双护盾TBM工法隧道”管片衬砌外部压力和结构内力在施工期内的时变演化规律。研究结果表明：隧道施工期间,管片外侧压力共经历四个发展阶段,注浆压力对管片内力变化影响较大,管片设计应考虑注浆压力的影响,同时应注意TBM施工时的注浆量控制。对于深埋TBM隧道,结构内力与隧道埋设深度不具有明显的对应关系,但随着结构上部围岩风化程度增加,隧道上方垂直荷载对管片结构内力影响加大。研究成果可为城市地铁双护盾TBM施工结构受力分析提供依据。     

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。     

高地应力区双护盾TBM隧道围岩性态即时判示分析

青藏高原及其东缘高山区的交通建设和能源开发,需要修建众多的深埋长大隧道,采用TBM掘进具有显著优势.依托西藏雅鲁藏布大峡谷DXL隧道双护盾TBM掘进施工,就隧址区工程地质环境、基于尾渣的围岩特征信息的即时获取方法以及围岩性态判别等进行了研究.结果表明:(1)高地应力环境下,隧址区裂隙性硬质围岩微细观破裂,造成宏观大变形...     

裂隙岩体应力渗流耦合模型在压力隧洞工程中的应用

首先，通过三维有限元方法数值模拟山西万家寨引黄工程高压出水岔管在通水期间围岩和衬砌中的渗流场特征；然后，结合工程通水期间渗压计和多点位移计的监测结果，分析岔管衬砌和围岩内的渗透压力的分布规律及岔管围岩的位移场变化规律。工程实践表明：在围岩弹性模量小于钢筋混凝土弹性模量的情况以及满足围岩的水力劈裂压力大于岔管内压的条件下，岔管钢筋混凝土衬砌方案是切实可行的。研究成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用。     

锦屏二级水电站引水隧洞TBM施工工法研究

 锦屏二级水电站引水隧洞是我国目前规模最大的水工隧洞群,特点是洞线长、埋深大、技术难度大,且沿线突水、岩爆、塌方各种地质灾害十分突出,为确保工程施工的安全与按期顺利发电,有必要选择安全快速的掘进方式,为此针对TBM工法,进行大量的调查研究与分析论证,研究结果表明：无论是从岩石的可钻性、耐磨性,还是从岩石的变形、破坏特性,TBM施工都是可行的,对可能遇到的地下水、岩爆、围岩大变形等不良地质条件的处理,较传统的钻爆法有一定的优势,对人员设备的安全具有更好的保护作用。结合地质超前预报和施工中不断改进的施工工艺和支护手段,可以较好地解决施工过程中可能遇到的一些工程难题。     

城门洞型压力隧洞衬砌限裂配筋设计方法研究

以城门洞型无压隧洞改建为引水发电隧洞的限裂配筋设计方法为研究对象,综合分析衬砌开裂前后围岩–衬砌混凝土–钢筋的联合作用,建立起二维(平面应变问题)非线性有限元数值仿真分析模型,经分析得到运行期内水压力工况下衬砌中钢筋应力、衬砌混凝土拉应力、衬砌裂缝、裂缝宽度的分布规律、衬砌配筋设计结果,以及检修期外水压力工况下衬砌混凝土裂缝处的应力集中现象和衬砌配筋的验算结果。提出的衬砌限裂配筋设计方法较以往的方法考虑更多影响配筋结果的因素,使结果更符合水工压力隧洞的实际工况,对同类工程设计具有指导意义。     

Geotechnical risk management approach for TBM tunnelling in squeezing ground conditions

Historically, attempts to use tunnel boring machines (TBMs) in Himalayan geology have been unsuccessful, particularly where weak rocks exist at the significant depths often required for hydroelectric hydraulic tunnels resulting in squeezing ground conditions. The use of segmental tunnel linings erected by shielded TBMs presents additional risk, such that the advantages of potentially high rates of advance using this form of construction have not previously been realised. Programme demands for the 330 MW Kishanganga Hydroelectric Project in India required that 15 km of the 23 km headrace tunnel be constructed using a double-shield TBM erecting a segmental lining. Preliminary studies suggested difficult ground due to squeezing conditions along the 1400 m deep tunnel through weak meta-sedimentary rocks. To allow planning and construction to commence, a risk management approach to design and construction was formulated with contingency procedures and criteria developed to allow the risks to the TBM and the lining to be managed effectively. Advanced numerical modelling included analysis of the tunnel with the ground represented by a Stress Hardening Elastic Viscous Plastic (SHELVIP) model to take account of time dependent loading. The Kishanganga tunnel represents the first segmentally lined TBM tunnel to be successfully constructed in the Himalaya. This paper describes the risk-mitigation approach, the special measures developed to address the risks, the numerical modelling and laboratory testing undertaken, and includes results from the segmental lining monitoring. Recognition of the risks, the development of an innovative methodology and the provision of the means by which geotechnical risk could be managed effectively during construction, gave confidence to all stakeholders to proceed with a method of construction that had not previously been implemented successfully in the Himalaya.     

双护盾TBM在软弱地层中的掘进模式选择

 双护盾岩石掘进机(TBM)采用双护盾模式掘进时,支撑靴的支撑压力常会造成围岩的破坏进而引发其他事故,针对青海“引大济湟”工程中双护盾TBM在软弱地层中掘进模式的选择问题,提出模拟双护盾TBM掘进过程的三维有限元模型,分析支撑压力作用下围岩的破坏机制及不同地应力分布情况下支撑压力对软弱围岩的影响。分析结果表明,支撑压力作用下围岩的破坏形式主要为剪切破坏和拉裂破坏。在浅埋自重应力场下,当侧向压力系数l＜1时,支撑压力一般会使软弱围岩的塑性区有较大程度的扩展,且在隧洞埋深较小时还可能造成大面积拉裂区的出现;其次,对支撑压力导致塑性区扩展的围岩临界强度的分析表明：在自重应力场下应采用单护盾模式或掘进参数降低的双护盾掘进模式掘进。在埋深较大且地应力侧向压力系数l≥1时,支撑压力对围岩的影响相对有限,一般不会导致新塑性区的产生,但可能造成旧塑性区的进一步破坏,此时,可谨慎地采用双护盾模式掘进。     

武汉长江隧道盾构过江施工技术措施

武汉长江隧道工程盾构长距离穿越砂层，盾构承受水压高，地质条件和地下水状况非常复杂，江底段隧道最小覆土厚度小于隧道直径，而且水底部分与覆土压力相比水压力更大，特别是武昌深槽段水压力主导的施工。为了确保盾构过江安全，对水土压力设定与控制、泥浆特性、隧道上浮问题和管片变形及软硬不均地层盾构姿态控制等问题进行初步的研究分析。     

输水隧道单层衬砌管片接头抗弯力学特性研究

因受到复杂的外部水土压力和较高的内水压力共同作用,单层衬砌盾构法输水隧道具有独特的接头构造。针对上海青草沙输水隧道(岛屿陆域段)单层衬砌管片接头的特点(铸铁手孔,双层螺栓),借助1:1足尺荷载试验及三维非线性弹塑性数值模拟对单层衬砌输水隧道管片接头的抗弯力学特性进行了研究。获得了单层衬砌输水隧道管片接头在不同接头轴力(拉/压力)、不同接头弯矩(正/负弯矩)和不同螺栓预紧力条件下接头张角及抗弯刚度的变化规律;并获得了环向螺栓轴力随接头弯矩的变化规律及管片接头的变形特性,研究成果可供类似工程借鉴。