地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

 处于地裂缝活动环境下的盾构隧道,在地裂缝上下盘相对错动下,隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形,此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效,使隧道不能正常运营。基于此,考虑在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构,共同承担外力,以达到减小结构应力和变形的目的。为此,对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析,主要考虑地裂缝上下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬砌受力和变形性状的影响,得出一些具有工程指导意义的结论,计算结果表明：管片内的整体式钢筋混凝土内衬能有效的减小隧道衬砌在地裂缝错动下的内力和变形;衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系;内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响,衬砌越厚,应力和变形越小,但厚度超过300 mm后再增加厚度,效果明显减弱;内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小,实际工程中采用C30混凝土即可。     

基于塑性损伤的盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触模型研究

 在分析基于梁-弹在分析基于梁–弹簧模式和壳–弹簧模式盾构隧道双层衬砌数值模型的基础上,分别建立依据接合面接触状态不同划分的盾构隧道双层衬砌三维实体复合结构和叠合结构计算模型。该模型通过混凝土塑性损伤模型表征混凝土的非线性特性,考虑管片内置钢筋对结构力学性能的影响,采用已有模型模拟钢筋屈服、硬化和软化现象,建立三维螺栓实体代替弹簧单元模拟管片接头,真实反映盾构管片之间、管片与连接螺栓及管片与二次衬砌接合面的接触情况。以广深港狮子洋隧道双层衬砌为工程实例,建立2种计算模型进行研究,通过与依托同样工程背景下的相似模型试验管片和二次衬砌内力和位移结果进行对比分析,两者具有较好的一致性,验证了该模型模拟盾构隧道双层衬砌结构力学行为的准确性和适用性。研究结果表明：(1) 双层衬砌在受力过程中管片与二次衬砌在局部存在非协调变形,接合面发生分离现象,出现零压区。(2) 由于封顶块构造的原因,封顶块对应位置二次衬砌易出现应力集中现象,该位置轴力和弯矩变化不均匀,管片与二次衬砌接合面接触压应力较其他位置偏大。研究成果对盾构隧道双层衬砌的设计分析具有一定的参考价值。     

盾构隧道二次衬砌合理施作时机模型试验研究

近年来,盾构隧道双层衬砌作为一种新的形式开始得到应用推广,但由于相关研究较少,导致盾构隧道双层衬砌结构体系关键参数尚不明确,其中二次衬砌合理施作时机便是其中之一。以狮子洋隧道工程为依托,采用相似模型试验对二次衬砌合理施作时机展开研究,研究结果表明:二次衬砌在盾构隧道双层衬砌中仅作为辅助承载结构,施作时机为57%～83%,结构径向收敛值和椭圆度随加载步变化最为缓慢,结构累计声发射数AE呈渐进性增长;施作过早或过晚,二次衬砌均不能有效抑制管片衬砌变形,且结构累计声发射数AE均呈阶梯型增长;随着二次衬砌施作时机推迟,二次衬砌与管片衬砌最大内力量值之比及结构开始出现宏观损伤破坏荷载级别均呈先增大后减小的变化规律。因此,在综合考虑双层衬砌结构加载过程中的变形历程及损伤特性,认为二次衬砌合理施作时机为57%～83%。     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

盾构隧道衬砌的设计方法分析

针对盾构隧道衬砌管片的内力及变形受多种因素影响的情况,结合工程实例,从衬砌管片方面分析了衬砌的内力及变形,得出衬砌管片的内力及变形随其自身因素变化的一些规律,以供设计人员参考。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究

 在分析现有3种双层衬砌数值模型的基础上,提出改进的双层衬砌盾构隧道衬砌梁–接头弹簧–结合面压杆弹簧组合分析模型。该模型采用压杆、结合面点位移耦合等技术,解决现有模型中地层与衬砌之间、双层衬砌结合面之间存在拉力以及结合面剪切应力与剪切位移无关等问题,提出适用于该模型的双层衬砌结合面和地层衬砌接触面参数计算依据,探讨结合面单元数量对分析结果的影响,研究杭长客运专线钱塘江隧道双层衬砌的力学行为。研究结果表明：(1) 双层衬砌厚度增大将引起双层衬砌弯矩明显增大,其增大趋势与双层衬砌厚度增大趋势基本一致;(2) 双层衬砌厚度的增大对轴力的影响甚微;(3) 双层衬砌弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的厚度相对比例无线性关系。研究结果对未来水下双层衬砌盾构隧道的设计分析具有一定的参考价值。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型及其工程应用

提出一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型,该模型可以反映接头抗弯刚度的非线性以及管片与二次衬砌接触面压剪弹簧失效机理。采用该模型对狮子洋隧道衬砌的力学行为进行了分析,结果表明:(1)管片结构最大正负弯矩随接头抗弯刚度增大而增大,而二次衬砌内力及管片结构最大轴力受接头抗弯刚度影响较小;(2)若不考虑管片与二次衬砌接触面的接触弹簧失效,将会使得计算结果量值偏大;(3)当盾构隧道所处岩层均匀时(t/D=0或1,t为结构范围内软弱层的厚度,D为隧道直径),全环各个位置处接头刚度值差别不大,当岩层不均匀时,接头抗弯刚度的取值差异分布显著;(4)径向弹簧、切向弹簧受力的最大值与平均值随着t/D的增加呈增大的趋势。     

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。     

盾构隧道双层衬砌应用现状与受力性能分析

在调研国内外盾构隧道双层衬砌使用情况的基础上,对双层衬砌应用现状与受力性能进行分析。研究结果表明,双层衬砌主要应用于对耐久性要求较高的水工隧道及大直径跨江越海隧道工程中;与非封闭式二次衬砌相比,封闭式二次衬砌在管片结构抗弯、变形与衬砌结构抗弯方面具有一定优势,但在衬砌结构受压方面具有一定劣势;非封闭式二次衬砌兼具单层管片衬砌与封闭式二次衬砌的优点,可在提高结构耐久性的基础上,降低施工成本,缩短工期,具有推广应用价值。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

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。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

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...     

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。     

盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究

以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象,引入各向刚度不等的连续材料模型,按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减,采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景,对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,探讨和揭示围岩条件,隧道净距,顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近,在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的,盾构顶推力需控制在一定范围内,具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定.     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。