盾构隧道千斤顶推力对管片力学响应影响分析

以上海隧道股份有限公司承建的昆明市轨道交通2号线二期工程六甲站—龚家村站盾构区间隧道为工程背景,通过MIDAS/GTS软件建立三维有限元非连续接触有限元模型,对盾构隧道推进过程中不同千斤顶推力情况下的管片力学响应进行模拟,并针对千斤顶推力相对于管片表现出的应力应变而产生的实际影响,进行科学系统的综合分析。结果显示:横向水平变形和竖直变形呈减小的趋势,轴向水平变形随着推力的增大而增大,管片的错台量减小;与此同时,由于管片环的持续推移,轴向水平方向由于负载千斤顶推力而引发的变形程度逐步降低;每环管片的最大拉应力和最大压应力均位于连接螺栓手孔处,因此可以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象;值得一提的是,当千斤顶推力逐步递增的过程中,管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力,将会首先缓慢降低,又逐渐增大,说明适宜的千斤顶推力有利于管片受力,但是推力过大会导致管片破损。经由本篇论文所获得的研究结果,将能有助于针对地铁盾构进行科学有效的施工控制。     

新型UHPC应力-应变关系研究

通过对不掺硅灰的新型超高性能混凝土的单轴压缩和单轴拉伸试验研究,获得了UHPC轴压应力-应变曲线和轴拉荷载-位移曲线。试验表明相比普通混凝土,UHPC轴压应力-应变曲线具有较长的线性段,UHPC具有良好的受压变形性能;UHPC开裂后裂缝间的钢纤维开始发挥作用,轴拉应力随裂缝宽度的增大和钢纤维的拔出而逐渐减小。基于试验并结合已有研究成果,建立了UHPC单轴受压和单轴受拉的本构方程,可供设计参考。     

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。     

受拉侧锈蚀钢纤维-钢筋混凝土管片承载力退化模型研究

近年来,国内外新建盾构隧道与管道工程中采用钢纤维-钢筋混凝土管片愈来愈多,在侵蚀环境下管片钢筋锈蚀的问题突出,提出适用于锈蚀后钢纤维-钢筋混凝土管片的残余承载力计算的方法十分重要。鉴于此,文章根据服役期盾构隧道管片所处环境及受力特征,结合钢筋混凝土结构正截面承载力计算理论,提出受拉侧锈蚀钢纤维 钢筋混凝土管片承载力退化模型,并给出相应的求解流程。同时,分析不同锈蚀率与不同钢纤维掺量下受拉侧锈蚀钢纤维-钢筋混凝土管片承载力曲线,并将该模型理论解与压弯荷载作用下钢纤维-钢筋混凝土管片的同步加速锈蚀室内试验结果进行比较,验证了该模型的适用性和可靠性。主要结论有：①随着钢纤维的掺量增加,混凝土的立方体抗压强度会先增大后减小;②偏心受压管片构件极限弯矩最大值随主筋锈蚀率的增大而不断减小,随钢纤维掺量的增大而不断增大,但增大幅度逐渐减小;极限轴力最大值受主筋锈蚀率的影响不大,但随钢纤维掺量先增大后减小。③主筋锈蚀率与钢纤维掺量对大偏心受压构件的影响均大于小偏心受压构件;界限偏心距随主筋锈蚀率的增大而减小,随钢纤维掺量的增大而增大。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

高沥青混凝土心墙受拉特性的简化力学分析方法

目前,沥青混凝土心墙受力变形特性研究尚缺乏简化的分析方法。针对高沥青混凝土心墙存在严重的受拉现象,探讨了心墙产生拉应力的机理,结合拱结构的特殊传力机制,提出了减小心墙拉应力的构想,即将直线型心墙堆石坝设计成曲线型心墙堆石坝;基于Winkler弹性地基直梁和曲梁理论,构建了直线型心墙和曲线型心墙的简化力学分析模型;借助该模型分析了坝高和堆石料模量对直线型心墙的挠曲变形和拉应力(弯矩)的影响,考察了曲线型心墙减小其内部拉应力的效果。研究表明,建立的简化力学分析模型能够较好地反映心墙的受力变形特性;直线型心墙端部存在较大的拉应力,坝高越高和堆石料模量越小,心墙端部的拉应力越大,心墙产生拉破坏的风险越大;曲线型心墙借助挠曲变形使其轴线缩短和将横向荷载部分转化成轴向压荷载以减小弯矩以及增大轴向压力达到减小其端部拉应力的目的,曲线型心墙相较于直线型心墙拉应力减小约42.7%,显著改善了心墙的受拉特性,增强了心墙的安全性。     

复杂接缝面管片接头的力学性能数值分析

根据武汉长江隧道工程管片接头所具有的复杂接缝结构特点,采用三维非线性有限元方法,对管片混凝土和接头承压衬垫均采用非线性材料性质,对螺栓采用三维实体结构模拟并考虑了螺栓预紧力的作用,对榫头采用三维实体模拟并考虑了接触关系,完成了对管片接头力学特征的分析研究。分析表明,接头弯曲刚度随接头弯矩增大而明显减小,但当弯矩增至一定程度后,接头切线弯曲刚度反有轻微增大;随接头弯矩的增长,端面混凝土最大压应力也相应增大,但当接头弯矩增到一定程度后,接头端面混凝土最大压应力数值趋于稳定不变;随接头正弯矩增大,弯螺栓拉应力将有明显提高,而随接头负弯矩增大,弯螺栓拉应力将会有所衰减。研究结论可供类似盾构隧道工程参考。     

砂卵石地层冻结法施工融沉效应研究

本文针对富水砂卵石地层联络通道应用冻结法进行施工时的融沉特性进行研究,在数值模拟软件ANSYS中采用间接法进行热力耦合计算,模拟地铁联络通道冻结法施工的全过程,探讨富水砂卵石地层融沉阶段地表变形、双线隧道管片及联络通道结构的变形与受力特性,为实际工程施工提供有效的参考与建议。结果表明:随着砂卵石地层的逐渐解冻,地表沉降呈逐渐增大的趋势,但砂卵石地层的融沉效应小,融沉变形仅有1.85 mm;管片和联络通道结构的沉降变形值随砂卵石地层的解冻逐渐增大,在此过程中管片和联络通道结构的拉应力减小,压应力增大;实际施工中,应该重点监测管片结构在与联络通道结构连接处顶部的沉降变形、底部的受压情况以及联络通道结构底板处的沉降变形和受压情况。     

急曲线超大直径盾构隧道设计关键技术研究

随着我国城市化进程不断加快,地下空间开发力度持续加大。盾构隧道采用急曲线的方式穿越各种建(构)筑物的情况越来越普遍。急曲线盾构隧道设计,面临众多挑战。其中,曲线拟合就较为困难。采用通用衬砌环时,楔形量取值越大、环宽越小,越有利于小半径曲线段盾构隧道的施工。但是盾构机所产生的沿环面方向的分力也越大。该分力作用将引起管片错台、渗漏等病害。此外,环宽的减小将增大管片环数和环缝接头数量,将增加接缝漏水的概率及工程造价。因此,本文基于上海地区超大直径盾构隧道统计数据及相关文献资料,引入偏角θ和R_(min)/R_n讨论北横通道急曲线段(R=500 m)盾构隧道管片环宽、楔形量取值问题。结果表明:北横通道盾构隧道外径D=15.0 m,最小转弯半径R_(min)=500 m,管片环宽采用1.5 m,楔形量Δ取75 mm,此时偏角θ为0.003 0 rad、拟合曲线半径R_n=300 m、R_(min)/R_n=1.67,可满足急曲线段盾构隧道施工要求。     

盾构隧道通用管片排版设计与纠偏研究

通用楔形管片作为一种较先进的隧道衬砌形式,在盾构法施工中能够较好地控制隧道掘进轴线和管片成环质量.以宁波地铁2号线机场站-栎社新村站区间工程为背景,结合现场实际施工经验,针对通用管片的特点,对通用管片排版设计进行了研究.对通用管片在不同点位拼装时上、下、左、右各方向的超差和轴线偏差进行了计算,分析了通用管片排版设计时应当考虑的影响因素.研究结果表明,按照设计的排版方案对通用管片进行成组使用,可以较好地拟合直线段、圆曲线段以及缓和曲线段的设计路线,在管片排版中应重点考虑线路拟合、盾构姿态、油缸行程差、盾尾间隙等因素.     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

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。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

盾构隧道的结构病害及其成因探析和治理措施

随着大量盾构隧道投入运营,隧道结构的病害问题逐渐显现。本文从影响和引起隧道结构病害的原因出发,对盾构隧道服役寿命期内其结构病害的情况进行了总结,阐述了盾构隧道结构病害、劣化的主要类型及其内在和外在的表征形式。事实显示,引起盾构隧道结构病害的主要成因包括:运营期特殊荷载导致的隧道结构突发损伤、隧道结构耐久性不足和隧道结构变形等长期行为产生的损伤。盾构隧道结构的病害和损伤主要包括管片和路面结构混凝土开裂、破损剥落;钢筋锈蚀且与混凝土粘结力降低;管片连接螺栓锈蚀或长期受应力腐蚀作用产生扭曲变形甚至断裂;隧道衬砌环纵缝的错台变形、接缝张开等;另外还包括隧道管片、衬砌接头、螺栓孔等位置的渗漏。     

纤维布(FS)约束混凝土矩形柱轴心受压试验及非线性有限元分析

通过29个纤维布(FiberSheet,FS)约束混凝土柱和2个混凝土对比柱的轴心受压试验,以及FS约束混凝土柱的三维非线性有限元分析,研究FS约束混凝土矩形截面柱的轴心受压性能和FS的约束机理。FS约束混凝土柱有斜剪破坏和轴压破坏两种破坏形态;FS约束混凝土的轴压应力-应变曲线有三种形状;增大截面长宽比会减弱FS的约束效果;单独缠绕CFS比复合缠绕CFS和GFS对强度提高有利,但复合缠绕且GFS不少于1层时,对增大变形有利;轴向压应力大于0.6～0.8倍峰值应力后,FS的横向拉应变增大,对混凝土起约束作用;角部FS横向拉应变及截面角部混凝土的水平应力最大;可以将截面分为强约束区和弱约束区;角部的圆弧半径与1/2边长之比越大,强约束区的面积越大;纤维特征值对强约束区面积大小的影响不大,但是纤维特征值大,截面的水平应力也大。     

无锡轨道交通盾构小半径曲线施工技术

无锡市轨道交通一号线湖滨路站～大学城站段处于软土地区,隧道最小曲线半径300m,采用盾构法施工.施工前在小半径曲线段加密勘探钻孔获得准确地质资料,制定盾构过小半径曲线段专项施工方案,选用前铰接式盾构及合理隧道管片;施工中严格控制盾构掘进参数;后期通过吊装孔打锚杆或注浆加固;在施工过程中及时纠偏.保证小半径曲线段不发生明显偏移.     

错台对盾构隧道接缝受力及防水性能的影响分析

为了研究软土地区不均匀沉降对地铁隧道结构力学性能与防水性能的影响，通过ABAQUS有限元软件分别建立管片 接头三维精细化模型和密封垫 密封槽二维精细化模型，分析了接头在不同错台量和张开量条件下的应力分布规律及管片的损伤特征，讨论了不同错台量条件下密封垫防水性能的下降程度。研究结果表明：错台量较小时螺栓轴线应力分布呈现“单峰”形式，螺栓最大应力位于右侧管片接缝面附近；错台量较大时螺栓轴线应力呈现“双峰”形式，螺栓峰值应力位于接缝面两侧；张开量对螺栓最大应力的影响较小，但对螺栓中截面应力影响较大，随张开量的增大呈现先减小后增大的趋势；管片混凝土损伤主要出现在螺栓孔附近；在最不利工况下，隧道防水性能下降59.0%；当错台量大于6.6mm时，隧道已不满足防水要求。