大型盾构管片接头高温张开与防水关系研究

为研究盾构管片接头在火灾高温下的防水情况,通过大型盾构管片接头高温试验和数值模拟,并结合接头橡胶条高温下的性能[1-2],对接头橡胶条耐水压值与张开量、温度的关系进行研究。结果表明:(1)数值模拟与高温试验得出的接头张开变形基本吻合。(2)提出了一系列张开量下的橡胶条温度与耐水压值关系曲线。当橡胶条温度小于120℃时,可按常温分析,其耐水压值只与张开量有关;当橡胶条温度在120～180℃时,可通过不同张开量下橡胶条耐水压值与温度的拟合曲线,计算橡胶条耐水压值;当橡胶条温度在180～200℃时,可通过插值计算出橡胶条耐水压值;当橡胶条温度高于200℃时,耐水压值为0。(3)通过不同工况下接头橡胶条的温度、张开量数组,可判断接头橡胶条的防水有效性。     

火灾下盾构隧道衬砌拼接接头力学行为试验研究

盾构隧道管片接头是隧道结构的薄弱部位,针对盾构隧道管片接头的抗火性能研究显得尤为重要,该文以存在安装误差的缩尺衬砌结构接头试件进行火灾试验,以管片的表观特征、温度场分布及变形响应等特征,研究火灾高温作用下盾构隧道衬砌结构接头的力学性能.研究结果表明:无初始缺陷的衬砌管片爆裂面积大且深度浅,具有初始缺陷的衬砌管片剥落深度...     

火灾下盾构隧道衬砌管片结构变形理论分析

火灾高温会使盾构隧道管片衬砌的力学性能产生劣化,其受力变形也较常态下更为复杂。考虑到火灾下衬砌截面温度场的真实分布情况以及管片材料高温下力学性能的非线性,建立了高温下圆形衬砌变形的理论计算模型;针对盾构隧道管片衬砌,基于自由变形理论,得到了其高温下变形的解析解;根据具体算例得到了发生火灾时管片变形规律,为管片火灾下的防火设计提供了理论依据,并将计算结果与设计规范相对比,对灾后隧道内人员财产救援进行的时机给出了建议。     

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。     

火灾高温下盾构隧道管片接头力学特性研究

管片接头是盾构隧道受力的薄弱环节,同时接头也是隧道防水的关键部位,隧道发生火灾很可能导致接头部位变形过大,防水功能失效,使得隧道发生渗漏、涌水,对隧道造成毁灭性的灾害,本文在管片接头高温计算模型基础上分析了高温条件下接头力学特性。     

火灾高温下盾构管片接头橡胶防水性能劣化规律试验研究

为了研究盾构管片在火灾高温下引起的接头密封橡胶条防水性能的劣化规律,对复合接头橡胶条材料进行了耐高温试验。试验结果表明:(1)温度及压缩量对于管片接头防水性能影响较大,在橡胶条位置达到170℃以后,接头张开量达到6mm以上,防水性能全部失效;(2)遇水膨胀橡胶的耐火性能较差,在密封橡胶条整体还未达到耐高温极限时,遇水膨胀橡胶部分防水性能已经失效;(3)在170℃以下,接头密封橡胶条弹性并未完全失去,可以通过增加压缩量产生较大压缩应力来达到止水目的。     

盾构管片接缝防水材料防水耐久性实验及分析

由于我国大规模开展地铁建设的时间不长,盾构管片接缝长期防水问题还没有引起足够的重视。现有的盾构隧道后期维护中也逐渐出现了隧道接缝渗漏现象,严重影响工程安全。针对盾构管片接缝常用的防水弹性密封垫材料——三元乙丙橡胶,开展了恒定压缩永久变形和老化等长期防水性能试验研究。研究结果表明,橡胶的老化系数在0.9以上,恒定永久压缩应变小于15.4%,盾构隧道应用的弹性密封垫防水材料具有良好的长期的防水性能。在此基础上,分析了钱塘江越江隧道冲刷后纵向回弹变形引起的隧道环向接缝张开后的管片接缝防水性能,能够满足钱塘江最高水位时的隧道接缝防水要求。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

输水隧道衬砌管片环向接头力学性态试验

为了解管片接头的力学性态,以上海青草沙输水盾构隧道为研究背景,研制了专门的试验系统,进行了1∶1原型管片接头试验,对管片环向接头的变形规律和相关参数取值进行了研究。研究结果表明:管片接头混凝土、主筋、螺栓最大值等均满足设计强度要求;接头张角和变形规律与螺栓预紧力有关,张角较小,满足隧道防水要求;管片接头抗弯刚度与横向荷载正相关,加载过程抗弯刚度最大值为20 456(kN.m).rad-1,可作为类似工程设计和施工的参考。     

盾构隧道衬砌管片接头张合状态力学模型及数值模拟

盾构隧道衬砌管片接头处的力学性能极为复杂,采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析,研究衬砌管片及接头纵向连接螺栓的受力及变形特性。研究结果表明：管片局部刚度折减后整体管片的竖向位移及大变形范围均增大,管片水平位移变化量小,刚度折减区的水平位移略微减少,但影响整体管片内力分布均匀性;基于管片接头力学模型及变形协调原理,管片接头纵向连接螺栓的变形及其变化规律与整体管片的基本相同,但变形量相对较小,且螺栓水平方向变形减少量高于竖直方向的;管片接头纵向连接螺栓轴力基本为压力,承受压力的螺栓占全部螺栓的94.4%以上,弯矩及剪力值较小,其中弯矩沿隧道上下对称分布,剪力沿隧道左右两侧对称分布。本研究可为深入分析管片及接头的力学性能提供参考与借鉴。     

大断面越江地铁盾构隧道衬砌结构方案研究

文章以武汉轨道交通8号线一期工程越江隧道为背景,针对越江隧道断面大、水压高、穿越地层软硬不均,运营期水位涨跌以及河床冲淤变化幅度大的特征,通过建立能较为真实反应接头刚度和不均匀地层影响的地层-管片-内衬模型,研究“单层管片”、“管片+双侧非封闭内衬”、“管片+底部非封闭内衬”以及“管片+全环内衬”结构型式下,管片及内衬的受力变形特性。研究结果表明:水位升高使管片偏心距减小,河床淤积使管片偏心距增大,在地层较弱区域管片弯矩明显增大。施作内衬后,管片受力最大减小16%,拱顶下沉最大减小28%,结构的长期安全和稳定性增强,但会增加施工难度、工期和造价。考虑到内衬能在隧道火灾、撞击时对结构起到较好的保护,并且“底部非封闭内衬”能最大程度的减小结构受力,对工期影响较小,推荐采用“管片+底部非封闭内衬”结构方案。     

壳-矩阵-弹簧模型衬砌结构受力性能研究

提出了壳-矩阵-弹簧系统模型,模型以平板壳单元模拟衬砌管片,以矩阵单元模拟衬砌拼装的螺栓,以土弹簧单元模拟衬砌与地层之间的相互作用。采用该模型对衬砌管片错缝拼装下的受力状态进行了分析,解决了采用传统的梁-弹簧模型平面应力-应变方法无法准确把握研究区域应力和变形的问题,可真实地反映衬砌管片结构的力学性态。采用壳-矩阵-弹簧模型分析了影响衬砌管片结构受力性能的不同因素,得出了一些有益的结论,以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

西藏南路越江隧道工程防水设计与施工

西藏南路越江隧道防水工程分盾构法隧道管片和暗埋矩形段结构两大部分。盾构法隧道管片的防水涉及到管片自身以及管片接缝两方面;暗埋矩形段结构防水分结构本体、施工缝以及变形缝3项。针对以上内容分别讨论了管片防水、管片弹性橡胶条室内试验数据与圆隧道防水的相关性,以及暗埋段结构现场施工与结构防水存在的问题。     

地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究

为研究施工荷载作用下,管片局部抗压及环缝等薄弱部位的受力性能,对钢纤维混凝土管片的力学性能进行了三维数值模拟及现场试验,研究内容包括:(1)千斤顶作用下管片的局部抗压性能;(2)盾构直线推进及纠偏工况时管片的力学性能。研究结果表明,在最大施工荷载(900kN)作用下,管片局部抗压性能及手孔等应力集中部位均满足设计要求。同时,管片在施工荷载作用下没有裂缝产生,说明钢纤维混凝土管片抗裂性能较强。这也表明钢纤维的加入,大大提高了混凝土管片的力学性能,钢纤维混凝土管片用于地铁隧道工程是可行的。     

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‰.     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

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。