使用整环加载试验图像研究隧道衬砌管片接缝的变化特征

笔者使用图像处理技术,对整环加载下复合材料加固前后衬砌圆环管片间接缝与管片内壁错台的变化过程进行了研究。根据衬砌圆环加载过程中接缝的试验图像,使用灰度特征和形状参数(偏心率、面积等)得到了不同时刻接缝的形状及其特征参数(平均宽度、夹角、中心位移),使用粒子图像测速技术得到了接缝两侧混凝土管片内壁位移与内壁错台特征。结果表明,衬砌圆环加固前,管片接缝特征参数变化从大到小对应位置依次是封顶块与邻接块之间、邻接块与标准块之间、标准块与底块之间,内壁错台位移从大到小对应位置依次是邻接块与标准块之间、封顶块与邻接块之间、标准块与底块之间;衬砌圆环加固后,不同位置接缝特征参数变化幅度都小于加固前,而内壁错台位移值变化幅度小于加固前的是邻接块与标准块之间,加固前后基本不变的是封顶块与邻接块之间,大于加固前的是标准块与底块之间。该研究结果对隧道衬砌破坏机理研究有一定的参考价值。     

使用图像分析研究隧道衬砌管片的位移变化

以复合材料加固前后的盾构隧道管片为对象,进行了盾构隧道管片在侧向荷载作用下变形能力和极限承载力的整环加载试验,使用图像处理技术对加固前后衬砌圆环管片接缝两侧的位移变化进行了研究。根据加载过程中不同时刻的试验图像,使用粒子图像测速技术得到了不同时刻、不同位置接缝两侧混凝土管片的位移变化情况。结果表明:未加固阶段管片顶部接缝处管片表面位移相对较小,两侧位移变化不相等,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时最大位移发生在封顶块位置;整环加固后,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时裂缝开始扩展;加固前后位移变化幅度大小次序依次是封顶块、标准块、邻接块和底块,破坏最先发生位置是封顶块和邻接块的连接位置;使用复合材料加固后,各处接缝两侧管片位移变化幅度及整体位移变化量均小于加固前,管片承载力增加,强度明显提高。本文结果对研究隧道衬砌破坏机理有一定的参考价值。     

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。     

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。     

盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型研究

盾构隧道管片接头承载力的计算是管片设计和服役性能评估的重要部分和关键部分,针对形式相同而细部构造不同的管片接头,提出一套适用于其抗弯承载力计算的理论方法十分重要。鉴于此,文章基于接缝面的不连续特征将接缝面进行适当分区,建立盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型,并给出对应的求解算法。将理论模型的计算结果与接头足尺试验结果进行对比分析,验证理论模型的正确性,然后采用该计算模型对管片接头抗弯承载力进行分析与讨论。结果表明：管片接头抗弯承载力曲线具有明显的非线性特征,随着轴力的增大,接头极限弯矩呈先增大后减小的趋势。混凝土强度对于接头抗弯承载力的影响较为显著,而螺栓强度和螺栓直径对于接头抗弯承载力的影响程度受轴力控制,轴力较小时,上述两参数的增大对于接头抗弯承载力的提升效果明显,轴力较大时效果逐渐减弱,当轴力高于某一阈值后,螺栓对于接头抗弯承载力无影响。文章所提出的抗弯承载力计算模型与研究结果以期为盾构隧道结构设计、试验和性能评估提供重要参考。     

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。     

盾构隧道钢板加固衬砌管片环缝抗剪性能数值模拟研究

盾构隧道环缝相邻管片之间的错台变形,加剧了运营隧道结构所面临的风险。采用外置钢板对已经发生错台变形的环缝处相邻管片进行加固是一种可取的错台变形控制措施。采用有限元数值模拟的方法,建立了盾构隧道管片环缝钢板加固的三维数值分析模型,在此基础上设计并开展了钢板加固管片环缝数值模拟试验。根据数值模拟试验结果,首先分析了外荷载作用下管片接缝错台变形的发展规律,通过螺栓与管片内的应力分布及发展模式解释现象发生的原因;然后,通过对比未加固与钢板加固接缝管片错台变形随荷载增大的发展情况,对该加固方法对错台变形的控制效果进行量化讨论;最后,分析了当接缝发生错台变形时钢板与管片间连接界面的应力分布规律,揭示了加固钢板与管片之间的传力机制,据此对实际盾构隧道加固工程提出指导性建议。     

地面卸载作用下软土大直径轨道交通盾构隧道结构变形预测

上海轨道交通L16采用外径为11.36 m的大直径盾构隧道,运营期邻近开挖卸载对大直径隧道的影响是隧道养护管理工作需要考虑的问题之一。借助有限元分析软件ABAQUS,建立包含内部结构的错缝拼装大直径轨道交通盾构隧道3D模型,计算分析隧道两侧土体对称开挖卸载工况下管片环的直径变形量、接缝张开量、中隔墙应力及石岩棉压缩量与土体开挖深度的关系。计算结果表明:模型每组拼装循环中的2个管片环受力变形基本一致;管片环整体变形呈"横鸭蛋"状;管片环变形与接缝变形在不同工况下达到规范规定的限值;中隔墙压应力的变化与石岩棉压缩量存在密切的关系。计算结果可为盾构隧道运营期的保护标准制订提供参考。     

水下盾构隧道运营期结构健康监测及响应规律分析

水下盾构隧道运营期结构响应规律是结构安全性评价及异常预警的基础,健康监测系统已经成为结构响应监测与安全性评价的关键技术手段。在武汉长江隧道布设了健康监测系统,获得水下盾构隧道正常运营期(2013年9月～2020年6月)关键断面拱顶管片应变及接缝响应规律;建立多元线性回归模型和分布滞后模型,研究其用于结构异常预警的适用性;并分析环境温度、长江水位和时间效应对管片应变、纵向接缝和环向接缝张开度变化的影响规律。研究结果表明:(1)管片应变增量和接缝张开度增量不服从正态分布,其相对于正态分布具有更重的尾部,出现极值的可能性更大,分析时应避免将正常值当作异常值剔除;(2)分布滞后模型回归效果和预测效果均优于多元线性回归模型,用于预警时其对结构异常反应更为灵敏;(3)冬季温度降低,接缝张开度增大,且环缝张开度远大于纵缝张开度,分析结果解释了盾构隧道接缝冬季渗水比夏季严重、环缝渗水比纵缝严重的现象。     

紧邻超大超深基坑的地铁隧道施工微扰动双液注浆加固技术

南京河西某商业广场超大超深基坑因深层土方开挖、围护支撑拆除等施工活动,会给紧邻基坑并已运营的地铁隧道造成侵害。为此,通过将在上海软土地区地铁隧道通缝盾构管片采用的微扰动双液注浆加固技术,应用于南京砂土地区且邻近该商业广场的地铁隧道错缝盾构管片的加固中,并对管片收敛变形、管片接缝变形、断面变形以及垂直位移进行了跟踪监测。数据表明,各变形均在加固过程中或加固后得到有效的控制,保证了地铁的运营安全,从而验证了砂土地区错缝盾构管片采用微扰动双液注浆加固技术的可靠性。     

考虑尺寸效应的盾构始发与到达端头加固研究

分析和总结了既有端头加固模型的不足,针对其局限性．考虑尺寸效应对盾构始发与到达端头加同的影响,建立了适用于大直径盾构端头加同计算的荷载等效模型,将侧向梯形荷载等效为均布荷载和三角形反对称荷载的叠加。同时,应用既有模型和荷载等效模型对典型的黏土与砂土地层进行端头加固计算．分别讨论了应力及纵向加固范围与盾构直径之间的关系,分析了尺寸效应对端头加同的影响。研究结果表明,当盾构直径小于等于10m时,两种模型应力及纵向加固范围变化曲线几乎重合,既有模型的误差较小：当盾构直径大于10m时．既有模型的应力和纵向加同范围明显小于荷载等效模型,且随着直径的增大,两者的差值不断增大。因此,对于直径大于10m的盾构隧道,使用荷载等效模型进行端头加固计算更科学、更符合实际．结论更可靠。而且基于盾构始发与到达端头加固理论提出了大小盾构的分界点,为将来进一步研究类似问题提供了参考。     

盾构隧道收敛与病害特征及性能相关性研究

基于南京地铁3号线九龙湖站—诚信大道站区间隧道收敛长期监测数据及结构检测成果,通过对收敛形态、数据与结构病害、性能的统计和指标分析获得以下研究结论:(1)隧道管片椭圆收敛形态主要以水平向“外扩型”为主,其长轴方向与水平线偏转角多处于±1～±30°之间;(2)收敛数值与裂缝数量、渗漏面积成正相关,但是与结构强度、错台量及壁后空鼓无明显相关性;(3)软土地层隧道收敛值＞60 mm时,管片纵向贯通裂缝数量明显增多,且最大宽度已达到或超过设计标准值0.2 mm。建议在软土条件下钢环加固标准设置为60 mm;(4)管片渗漏部位常发生于隧道水平线附近±30°范围,这与“外扩型”收敛椭圆长轴方向产生最大变形量Δ_max的范围相一致,进一步验证了收敛变形是导致接缝渗漏的主要成因。     

基坑围护SMW工法桩施工对下卧盾构隧道变形影响分析

以苏州星港街隧道从上部近距离穿越地铁1号线盾构隧道工程为依托,对SMW工法桩围护加固过程中下卧盾构隧道变形监测数据进行分析,探讨基坑围护加固过程中下卧地铁盾构隧道结构的纵横向变形规律。分析结果表明,盾构隧道变形与SMW工法桩桩施工扰动、施工机械荷载有关,SMW工法桩施工期间下卧盾构隧道逐渐下沉,尤其是隧道两侧工法桩施工阶段下沉速率较大,隧道正上方施工期间隧道变形很小,围护加固结束后隧道变形稍有回弹;加固区内盾构隧道受影响比加固区外大,盾构隧道在横断面上呈竖向压缩、水平方向伸长状态,隧道变形轮廓为长轴近水平方向的椭圆。     

盾构进出洞时端头土体纵向加固范围研究

为研究盾构进出洞时端头土体纵向加固范围的问题,本文基于极限平衡理论,建立盾构进出洞时端头加固土体二维稳定性分析的理论模型,推导了相应的端头土体纵向加固尺寸的计算公式,进而对一工程实例进行了计算分析得到其端头土体纵向加固长度至少应为7.43 m,最后讨论了端头加固土体粘聚力、内摩擦角、隧道直径等重要参数对端头土体纵向加固范围影响。研究结果表明:端头加固土体的粘聚力、内摩擦角对端头土体纵向加固范围影响显著,随着端头加固土体的粘聚力和内摩擦角增大时,端头土体纵向加固长度都将会减小。隧道直径越大,端头土体纵向加固长度也越长。     

长距离越江跨海盾构隧道三维轴线控制技术

随着高等级公路建设步伐的加快和沿江、沿海经济的快速发展,盾构隧道工程项目朝着大型化、综合化、复杂化方向发展,特别是大型越江跨海盾构隧道工程不断涌现,安全控制、环境影响控制和工期控制等要求越来越高,其中如何在长距离施工中保证大直径越江跨海隧道轴线精度成为施工关键,本文以目前世界上直径最大、同级别盾构机一次性掘进距离最长的...     

盾构近距离下穿对上覆已建隧道影响的实测研究

通过对上海轨道交通7号线下穿地铁2号线施工期间已建隧道的实测数据分析,探讨了施工扰动影响下已建隧道的隆起、沉降曲线波峰位置的偏移、二次穿越的叠加效应、穿越施工的影响范围等。结合典型工况及施工参数分析已建隧道受盾构穿越施工的影响,得出盾构穿越期间已建隧道先隆起后沉降;曲线形态由近似正态分布向类似M型的双波峰转变;上方已建隧道变形最大值偏离投影正交点;完成后第42 d已建隧道的变形趋于收敛,盾构穿越施工的横向影响范围为4D(施工盾构直径),在盾构纵向推进方向影响范围在3D至5D间等结论。     

某地区地铁盾构施工地表沉降规律分析

通过对武汉地区某一地铁线盾构掘进施工过程中监测数据统计,根据Peck理论,得到汉口地区盾构施工引起纵横断面地表沉降的特点:纵向上,盾构机切口前30m以内和后50m以内为影响区域,其中又以切口后50m为显著影响区,盾构对某断面上影响范围在沿盾构中心轴线10~18m;盾构掘进引起的地表沉降数据累计变化控制指标宜为-40mm,盾构机切口通过监测断面6~20m范围内单次平均变化速率控制值宜为-15mm/d。     

盾构隧道受上方地下空间开挖荷载的影响分析

利用有限元软件MIDASGTS建立的三维有限元模型模拟下方盾构隧道的竖向和水平方向变形过程,以及在地下室和覆土荷载作用下的隧道变形增量、转换梁和连接板竖向变形、保护桩竖向和水平方向变形增量等,结果表明盾构隧道处于中风化岩层产生的变形增量约为其处于强风化岩层的13;增大转换梁刚度可在一定程度上减小盾构隧道和转换梁在上方荷载作用下的变形量;在基坑开挖和地下室施工全过程,盾构隧道的轴力和弯矩均处于较低受力水平,结构安全性未受影响。     

基于HSS模型隧道近接群桩基础施工影响分析

依托盾构隧道近接侧穿群桩工程建立三维数值分析模型,土体采用小应变硬化(HSS)模型,参数取值借鉴已有研究成果并根据监测位移数据反演,同时考虑土体开挖、衬砌拼装以及盾尾同步注浆等一系列施工工艺措施,并将模拟结果与监测数据进行对比验证,研究了不同工况下地表沉降的形态分布、群桩桩基变形及基桩结构受力,同时考虑地表位移对等代层厚度的敏感性。结果表明:HSS模型能有效预测隧道近接侧穿高架桥桩引起的变形,模拟结果与监测值较吻合; 隧道开挖引起土相对桩产生了滑移,地表沉降及桩身竖向位移在中心线前后各1D(D为管片外径)范围内随推进步数的增加而不断增大,且增加幅度明显减小; 两线推进地表沉降具有叠加效应,最大沉降量增幅达76.8%; 隧道与基桩水平距离越近,引起基桩沉降变化越大,两线推进基桩桩顶沉降增幅达134%; 群桩中各排桩的水平位移变化趋势基本相同,且同排桩的水平位移值相差不大,由于群桩遮挡效应,水平位移值由大到小依次为前排桩、中排桩、后排桩; 桩身水平位移主要在盾构中轴线2.5D范围内,桩身最大水平位移均出现在隧道中轴线附近; 群桩中同排桩桩身附加弯矩及附加轴力沿桩身分布规律相同,桩身最终附加受力与其距离隧道远近有关; 随着注浆充率β的增大,等代层厚度及地表沉降呈线性减小; 穿越段采取的施工工艺方案是有效的,经估算附加弯矩及轴力对桩基承载力的影响在容许范围内。