马蹄形隧道40°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。结构模型混凝土应变、纵向和环向钢筋应变、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：整体式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为扭转、弯曲、剪切变形破坏,变形破坏不对称;衬砌混凝土环向裂缝主要分布在上盘区0.83D(D = 1.8 m)、下盘区1.11D;纵向裂缝主要分布在上盘区1.11D、下盘区(1.94～2.22)D;下盘结构变形破坏范围和程度要高于上盘。马蹄形隧道结构在40°斜穿地裂缝时,宜采用分段方式来应对扭转、弯曲、剪切变形,应加强结构抗扭设计,扩大断面或提高混凝土强度等级来应对剪切变形。     

大角度斜交地裂缝带盾构隧道变形破坏机制的模型试验研究

地裂缝是西安市最典型的城市地质灾害,其活动对城市地铁建设具有严重威胁,盾构隧道能否应用于地裂缝场地一直是工程界关注的问题。为揭示地裂缝活动对地铁盾构隧道的影响机制,文章以在建西安地铁8号线大角度(θ=75°)穿越地裂缝带为工程背景,基于1∶12几何比尺的物理模型试验并结合数值模拟,对大角度斜交地裂缝带的盾构隧道结构的变形破坏规律进行研究。结果表明：地裂缝错动作用下,大角度穿越地裂缝带的盾构隧道上盘管片拱顶受压、拱底受拉,下盘管片拱顶受拉、拱底受压;盾构隧道纵向整体表现为弯曲 扭动变形,管片衬砌在地裂缝上盘以拱顶内凹变形为主,在下盘以牵引变形为主,地裂缝位置及其附近的管片表现出竖向错动、轴向拉张与挤压以及水平扭转的三向变形特征;当地裂缝位错量达到s=24cm时,盾构隧道出现破坏,其破坏模式以剪切破坏为主,局部存在偏压破坏,且破坏大部分首先出现在螺栓附近;基于盾构隧道的破坏模式和范围提出隧道大角度穿越地裂缝带时的应对措施建议,对于未来100年内地裂缝累积活动量超过s=24cm的场地,地铁建设不宜采用盾构法通过。     

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。     

地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究

 以西安地铁隧道为工程背景,利用地铁隧道正交穿越地裂缝应力模型试验,分析在地裂缝活动环境下的地铁隧道与地裂缝的相互作用关系。在地裂缝上、下盘发生相对错动时,对模型结构的纵向应变、结构底部的相对位移以及结构外围土压力等进行监测。数据分析结果表明：地铁隧道穿越地裂缝时其荷载传递机制涉及结构的刚度效应、下卧土体的支承作用、隧道与土体之间的摩阻作用以及裂缝处上下盘的接触效应4个方面。根据隧道结构变形特征及应变变化规律,构建隧道与土体底部脱空状态下相互作用力学模型,为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计提供参考。通过对不同断面隧道的应变及变形比较分析,提出地铁隧道正交穿越地裂缝带时宜采用马蹄形隧道断面,以提高结构的整体刚度;加强位于地裂缝下盘的隧道混凝土的裂缝控制,做好防水处理。     

基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究

利用广州地铁一号线黄沙-长寿路站区间隧道变形监测数据,从隧道各测点与隧道中心绝对位移、道床绝对位移、道床与隧道中心相对位移、各测点与隧道中心相对位移、隧道收敛以及隧道变形曲率半径出发,详细研究了地铁上盖物业建筑群基坑施工对区间隧道的变形影响,解析了诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因.研究结果表明:(1)上行线隧道己朝西北角基坑发生侧向移动,隧道处于不利的扭转受力状态,下行线隧道水平方向变形则呈现明显的腰鼓形态;(2)上、下行线隧道沉降主要集中在离车站北端0～70 m区段,沉降曲线均呈现明显的勺子形状,且下行线隧道沉降量明显大于上行线;(3)道床最大沉降量在地铁正常运营控制范围内,但道床与隧道底部间存在一定程度的脱空,导致道床开裂和水沟翻浆冒泥;(4)隧道纵向沉降最小曲率半径为19 500 m,按等效轴向刚度模型计算,其对应的管片环环缝最大接头张开增量为0.33 mm.     

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。     

穿越活动地裂缝地铁隧道震害机制研究

 通过振动台模型试验对穿越活动地裂缝的地铁隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括地铁隧道的加速度反应,土压力及应变的变化规律。分析结果表明,穿越活动地裂缝的地铁隧道在地震荷载作用中,活动地裂缝场地产生不均匀沉降,上盘沉降大于下盘区,预设地裂缝部位沉降值最大,不均匀沉降导致次生裂缝及沉降陡坎产生,地铁隧道上方场地土体产生细小裂缝;地铁隧道与活动地裂缝的加速度时程曲线均与地震动荷载加速度时程具有一致性,地铁隧道各部位加速度时程保持一致,说明在地震中地铁运动保持整体性,上盘场地的加速度峰值较大,表明在活动地裂缝中上盘区对地震动力有一定的放大效应;活动地裂缝场地中土压力呈现出动土压力曲线变化,地震加载结束后隧道结构侧向的土压力受力状态及大小均产生变化,隧道结构顶部的土压力有较大增加;应变曲线表明在扩大断面的马蹄形隧道结构中拱腰部位的应变增值最大,拱顶部位次之,底板的应变增值相比最小。以上成果对于合理认识跨越地裂缝的地铁隧道的地震响应特征具有重要意义,可为地铁隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

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。     

盾构隧道开挖斜穿地裂缝的数值模拟分析

为探索地铁穿越地裂缝时隧道围岩与衬砌结构的变形和应力变化规律,本文以实际工程为基础,通过合理简化土层,采用理想弹塑性模型,通过控制生死单元的方法对盾构隧道进行分步开挖数值模拟。获得施工过程中围岩与衬砌的位移与应力。结果表明,地裂缝是隧道开挖时最危险的部位,对隧道的破坏起决定性作用。在裂缝处围岩洞室沉降出现了较大变化,易造成隧道的坍塌;在地裂缝处隧道两侧围岩与管片衬砌两侧均形成了应力集中,易使隧道洞室侧壁与管片衬砌发生剪切破坏。最后提出了保证地裂缝处围岩稳定性的处理方法,为同类工程提供参考。     

几种盾构隧道管片设计方法的比较

针对盾构隧道管片设计中各种方法的适用性问题，本文使用国内外常见的四种管片设计方法，以深圳地铁的盾构隧道为基本对象，对几种设计方法进行了比较研究，提出了设计方法选择时的注意事项和使用原则。     

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。     

供水管道45°斜穿地裂缝足尺模型试验研究

西安地裂缝是一种典型的城市地质灾害,对供水管道造成严重危害。以西安市球墨铸铁供水管道穿越地裂缝为工程背景,通过供水管道45°斜穿地裂缝足尺模型试验,研究地裂缝作用下供水管道的变性特征、结构应力与土压力变化规律。试验结果表明,在地裂缝作用下,上盘管道产生差异沉降,远离地裂缝管道末端沉降量最大,上盘管道顶部和底部部分区域形成脱离区或脱空区。管道表现出复杂的伸臂梁受力模式,竖向上上盘管道产生“上凸下凹”的弯曲变形,顶部形成受拉区,底部形成受压区;下盘管道产生“上凹下凸”的弯曲变形,导致其顶部形成受压区,底部形成受拉区;水平方向上,地裂缝与管道锐角侧形成受拉区,钝角侧形成受压区。管道柔性T型接口可一定程度调节管道两侧差异沉降,且在管道接口处轴向应力最大。基于模型试验结果,提出地裂缝发育区管道建设应合理规划线路、浅埋或架空布设、采用柔性接口并增加接口强度和刚度、布设监测装置的工程措施。     

地裂缝对地铁明挖整体式衬砌隧道影响机制的模型试验研究

 以西安地铁2号线穿越地裂缝带为研究背景,采用几何缩比1∶5的大比例尺地裂缝与地铁隧道结构模型试验,研究了地裂缝活动对地铁明挖隧道整体式衬砌结构的影响机制。试验结果表明：随地裂缝位错量的增加,隧道顶部土与结构接触压力上盘明显增大,下盘减小,底部接触压力上盘减小直至为0,下盘则明显增大;当地裂缝位错量达到20 cm时,位于地裂缝上盘的隧道结构底部出现脱空现象,下盘2.5 m处衬砌出现开裂,对隧道底部脱空区应及时进行注浆等地基处理;隧道底板基本处于受压状态,而顶板受力较复杂,下盘受拉,上盘则先受拉后受压。地裂缝作用下隧道变形破坏模式为拉张破坏,且隧道衬砌开裂主要出现在下盘距地裂缝14.0 m范围内,而位于上盘的隧道衬砌基本完好,这与地裂缝活动引起土体和地表建(构)筑物的变形破坏主要发生在上盘刚好相反。研究结果可为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计与防治措施制定提供一定参考。     

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。     

盾构管片工作性能试验研究

根据某一地铁隧道盾构管片进行钢筋受力、变形、围岩压力等方面的现场测试结果，研究了盾构管片在不同工况下的工作特性。通过围岩压力、钢筋受力、弯矩等计算分析，将实测模拟计算结果与设计值进行了比较，得到了设计方法的合理性结论。     

地铁区间盾构隧道衬砌接头的荷载试验

以盾构隧道衬砌接头荷载试验为依据,研究接头强度、受力及变形规律,对衬砌接头抗弯刚度主要影响因素进行分析。研究表明,正偏心荷载作用下接头强度取决于接头局部抗压及抗剪强度,负偏心荷载作用下接头具有足够的承载能力,接头承载力由接缝位移张开量控制;偏心距、轴力、衬垫厚度以及螺栓预紧力对接头抗弯刚度影响较大。     

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。     

盾构隧道管片设计参数的灵敏度分析

在我国目前的工程实际应用中，盾构隧道的设计多采用将管片考虑为均匀刚度的环来进行结构计算，由于国内目前尚无统一的盾构隧道设计规范，无论在荷载条件还是结构模型的取值中均存在一定的随意性。针对这一现状，本文对设计中的关键参数进行了灵敏度分析，明确了围岩条件，结构条件对设计计算结果的影响，提出了设计取值的一些原则。     

盾构隧道管片接头破坏特征及损伤特性试验研究

破坏特征和损伤特性是管片接头失效分析和承载性能研究的重要内容,对于确保其受力安全具有重要意义.文章开展了正负弯矩下管片接头抗弯破坏试验,对接头混凝土裂纹和压溃、螺栓受力和变形及接头位移等宏观破坏特征进行了总结,采用声发射技术对接头混凝土损伤演化过程和分布范围等细观损伤特性进行定量分析.研究结果表明:高轴压下管片接头破坏...