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。     

盾构隧道同步注浆壁后空洞缺陷对地表沉降和结构变形影响分析

盾构隧道施工过程中,由于地层特性差异以及同步注浆工艺的影响,容易导致管片壁后同步注浆空洞的产生,此类缺陷对盾构隧道周围地层沉降及管片受力影响显著。文章依托工程实际,采用数值模拟方法分析了不同位置的空洞缺陷对地表沉降及管片变形的影响。结果表明:壁后注浆空洞无缺陷时,最大地表沉降、竖向收敛值、水平收敛值分别为4.98 mm、4.44 mm、-5.32 mm,而在出现空洞缺陷的情况中,拱顶的最大地表沉降、竖向收敛值、水平收敛值均为最小,分别为10.78 mm、13.52 mm、-16.23 mm,因此说明当出现空洞缺陷时,地表沉降和管片变形会受到很大不利影响。当空洞缺陷出现在隧道拱腰时,是所有空洞缺陷中引发地表沉降变形和盾构结构变形最大的情况,最大地表沉降、竖向收敛值、水平收敛值分别为18.81 mm、20.07 mm、-22.21 mm,比拱顶位置引起的变形分别大13.83 mm、15.63 mm、-16.89 mm。所以空洞缺陷位置出现在拱腰时对于结构力学特性和地表沉降最为不利。故在盾构隧道注浆施工过程中,应尽量保证隧道拱腰位置的壁后注浆填充率,使地表沉降及管片变形达到相应工程要求。     

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。     

不同注浆阶段矩形盾构隧道衬砌结构的力学性态研究

矩形盾构隧道受力相比圆形隧道存在受力较不均匀的缺点,在各种施工荷载作用下局部会产生较大弯矩与剪力。结合现场工程,采用将理论分析、数值仿真与现场实测相结合的方法,研究不同注浆阶段矩形盾构隧道衬砌结构力学性态。研究结果表明,梁-弹簧模型能较为准确地反映矩形衬砌施工期的受力情况,施工期由于注浆作用导致衬砌所受的弯矩和剪力增大,应加强此阶段的衬砌管片力学性态的监控。     

盾构隧道衬砌近接桥桩的施工力学响应及影响分析

衬砌结构作为盾构隧道主要承重结构,其受力特性直接决定隧道能否安全使用,运用有限元分析软件模拟不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工过程,分析衬砌结构近接桥桩的施工力学响应,结果表明:注浆压力在0.1MPa~0.5MPa范围内,随着注浆压力的增加衬砌管片的最大隆起值和最大沉降值均减小,水平最大正位移值与负位移值均增大,且管片的弯矩与剪力逐渐增大,轴力逐渐减小,其中水平位移与轴力的变化率较大;近接群桩距离的改变,衬砌管片的内力与变形均随着距离的增大而减小,逐渐接近于无桩时的状况,其中管片的沉降最大值与轴力的减少幅度较大。研究结果为类似工程提供参考。     

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。     

基于损伤塑性本构的盾构隧道施工阶段管片受力变形特性

在盾构隧道施工阶段,管片受力特性十分复杂,伴随出现局部损伤甚至碎裂,影响其服役性能。基于混凝土损伤塑性本构,采用ABAQUS软件建立施工阶段盾构隧道三维有限元模型,加入地层压力、千斤顶推力、注浆压力等外部荷载,考虑内置钢筋网对管片结构力学性能的影响,来分析盾构隧道施工阶段管片的受力变形特性。分析结果表明:盾构隧道施工阶段管片的受力变形沿隧道纵向发生改变,与传统的均质连续模型存在较大差别;采用损伤塑性本构能较好地模拟施工阶段管片损伤后承载性能降低的特点;管片边角、接缝部位易出现混凝土损伤和压碎现象,造成隧道渗漏水。     

盾构隧道管片壁后同步注浆的机理与方法探讨

盾构隧道施工过程中,管片脱离盾尾会导致岩土体和管片外壳之间形成类似环形柱状的建筑空隙,扰动隧道围岩,从而引起上方地表沉降或隆起。该文结合盾构隧道开挖引起地表变形的过程、注浆填充沉降阶段浆体与岩土体的作用机理,以某土压平衡式盾构在泥岩砂岩互层地区施工为工程实例,详细论述隧道盾构管片壁后同步注浆的具体方法,旨在为同步注浆填充建筑空隙控制地表变形和保障周边环境安全提供相应的理论支撑。     

注浆压力对盾构隧道管片变形及受力特性的影响研究

以深圳地铁7号线为工程背景,通过建立数值计算模型,探究了管片衬砌在非均匀注浆压力作用下的变形及受力情况,结果表明:在非均匀注浆压力的作用下,盾构隧道管片衬砌结构产生明显的上浮现象,管片上浮值较大,管片应力值在可控范围内。     

盾构隧道破损管片修补强度的理论与试验研究

在充分调研一软土盾构隧道管片在施工阶段出现破损的基础上,总结该区间的管片破损规律;分析管片修补块在隧道发生纵向变形时的受力状态,利用纵向等效刚度模型,分析管片修补块在环缝位置所受压应力和隧道纵向变形的关系进而得出盾构隧道管片破损修补的强度控制值;根据修补块的受力特征及管片破损形态设计室内试验模型,通过试验得到满足强度要求的修补材料。该研究可为盾构隧道管片破损修补提供一定依据。     

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

 上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。     

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管片周边土体的扰动,管片壁后注浆及施工期的临时荷载会影响管片周边土压力分布及大小;管片内外侧钢筋应力变化规律与实测土压力变化趋势基本一致,管片实测应力开始趋于稳定时间相比实测土压力较短;梁-弹簧法计算管片内力与实测反算结果更吻合,实测反算轴力是计算轴力的2倍左右。研究成果可为大直径盾构越江隧道管片设计、施工提供参考。     

Study on inner force and dislocation of segments caused by shield machine attitude

Attitude deflection of shield machine is inevitable in process of driving forward, therefore, the tail brush, circular shape retainer and even shell of shield machine will extrude the exterior surfaces of segments. The squeezing action acting on segments causes dislocation, stress concentration and even crack in segments. Finite element code, ADINA, was used to analyze numerical tunnel model of 9 segment rings. The loads acting on different segment rings included squeezing action of tail brush under four attitude deflection, jacking forces, grouting pressure and earth pressure. The aspects of analysis included displacement feature and stress distribution. The analysis results indicate attitude deflection of shield machine causes biggish dislocation between segments, and the key segment is the most affected and weakest part in same ring which causes irregular displacement and dislocation in whole tunnel structure. In general, under squeezing action induced by shield machine, circumferential seam is much more affected than longitudinal seam. The squeezing action causes the segment dislocation exceed the limiting dislocation value which means curved bolt has extruded bolt hole and crack or breakage frequently concentrates in key segment and adjacent segment. Deflection of shield machine attitude is inevitable, but two deflection attitudes, including shield machine attitude deviates right direction and the head of shield machine goes down, should be avoided.     

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。     

高海拔严寒地区交通隧洞盾构管片渗漏处理技术

某公路盾构隧洞位于高海拔严寒地区,盾构管片安装施工完成后发现较多部位存在漏水现象,给车辆通行带来较大安全风险。通过对隧洞管片接缝、螺栓孔及灌浆孔等部位渗水特征的统计分析,结合隧洞管片接缝漏水与山体断裂带分布的相关性,制定了管片接缝滴漏水部位埋管引排,管片接缝渗水及螺栓孔、灌浆孔漏水直接封堵的防渗处理方案,并据此开展了渗漏处理施工,取得了良好效果。     

用冻结法修建地铁联络通道施工力学研究

采用三维有限元方法,模拟研究了冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。研究结果表明:因联络通道施工,将引起交叉部管片在整体上由“轴心受压向偏心受压”转变以及沿交叉部管片上下截面“整体受拉”的严重不利受力状况;与联络通道施工前相比较,交叉部管片呈现出沿纵向内力大幅度显著增长的受力特征(最大弯矩增长了9倍之多)。因此,对交叉部管片设计,不仅要求检算其横向内力满足技术规范,还应加强对其纵向结构强度的专门设计,以确保交叉部管片安全。     

盾构壁后注浆体变形及压力消散特性试验研究

壁后注浆是盾构施工的关键工序.壁后注浆体的变形及力学性质变化直接影响到土体的应力释放、地层位移及作用在管片上的土压力大小.利用自制壁后注浆单元体模型试验装置,研究不同的注浆压力、注浆材料及围岩土质条件对注浆体变形及注浆压力消散的影响规律.较高的注浆压力有利于减小围岩的应力释放量,加快浆体排水速率.在砂性土地层中,浆体变形和浆体压力消散较粘性地层快,说明土质条件对地层位移和围岩应力释放影响较大.     

高水压岩质盾构隧道施工期结构内力分析

 在使用大型跨江海盾构法进行水下隧道施工时,主要存在的流固耦合问题是：掘进过程中引起的流固耦合效应对管片结构内力的改变。结合重庆主城排水过长江盾构隧道工程,选取典型断面,按连续介质理论,采用有限元数值模拟手段进行分析。对该典型断面采取水土合算和考虑耦合效应2种方式来计算管片结构内力分布,并和现场实测数据进行验证。研究结果表明,在水下盾构法施工期间,管片截面最大内力出现在刚拼装完时,长期地下水渗流会减小管片截面内力。从流固耦合角度来研究管片结构受力特征,可为类似的工程设计及施工提供有益的参考。     

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈“S”型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。