施工阶段盾构衬砌结构受力特性影响因素数值分析

基于盾构隧道衬砌结构三维有限元模型,分析千斤顶推力、注浆压力及土体摩擦系数3个因素对衬砌管片施工期受力特性的影响,并总结出3个因素的变化对衬砌环拱顶、拱腰及拱底等不同位置的影响规律。通过施工对衬砌影响因素权重分析,可得千斤顶推力及注浆压力等管片受力影响较大,而土体摩擦系数较小,可为今后调整施工阶段的施工参数以及管片施工期控制提供参考依据。     

哈尔滨地铁过江隧道上浮控制研究

以哈尔滨地铁过江盾构隧道为依托,结合施工阶段管片的真实受荷状态,采用荷载结构建立考虑管片与螺栓、盾构机作用、注浆浆液和水土压力作用等影响施工期管片上浮的三维力学分析模型,分析管片施工期管片上浮和管片环接头变形特征,探讨千斤顶总推力、螺栓预紧力、注浆压力、浆液质量和浆液性质等因素对管片上浮的影响规律。研究结果表明,增加千斤顶推力,适当提高注浆压力,加快浆液凝固能有效控制盾构管片上浮趋势,而增加纵向螺栓预紧力对控制管片上浮则影响并不大。     

不同荷载作用下TBM隧道管片数值模拟分析

介绍了TBM施工荷载的种类和产生原因,通过ANSYS有限元软件,从围岩压力、千斤顶推力、注浆压力等方面,模拟了不同荷载对管片结构内力及变形的影响,研究发现:偏心的千斤顶推力是管片产生受力和变形的最不利施工荷载,在盾构施工时应合理设计,避免出现应力集中现象,导致管片的破坏。     

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。     

地铁隧道盾构施工常见风险及规避对策

地铁隧道盾构施工技术概述（一）地铁隧道盾构施工工艺分析所谓盾构施工,即利用盾构机在地表下开挖隧道的一种施工方法,通过利用盾构机外壳对土体产生的抵抗作用,再利用千斤顶顶住既有管片,在活塞杆推力的作用下,促使盾构刀盘在土层中不断切削土地并不断前进。另外当其每掘一环便衬砌一环,并利用盾构机机尾的管片拼装机实现管片的定位安装,再运用水泥浆将管片和周围的岩土之间的间隙填充,如此便可以达到抵抗后续变形和逐渐变化的围岩产生的压力。     

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。     

盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

大坡度小半径曲线盾构施工管片破损及上浮受力分析

盾构在大坡度小半径曲线情况下施工易引起管片破损及上浮,对结构安全及隧道正常运营造成不利影响,因而在工程设计与施工中备受关注。依托天津地铁3号线水上北路站—吴家窑站盾构区间工程,针对大坡度、小半径曲线盾构施工时的管片破损及上浮问题,结合盾构姿态、盾尾间隙、千斤顶状态、相邻管片的约束等方面对管片进行受力分析,讨论了引起管片破损及上浮的原因,并提出了相应的技术控制措施。结果表明,在淤泥质粉质黏土地层中进行小半径曲线施工,盾尾千斤顶推力对管片的侧向分力是管片破损的主要原因;壁后注浆的静态上浮力和千斤顶推力产生的竖向分力是引起管片上浮的决定性因素。     

盾构施工中不利工况下隧道结构的力学行为

钱江隧道是目前世界上最大直径的软土盾构隧道工程之一。采用有限元分析方法,对盾构掘进与管片拼装阶段中常见的K块挤入、壁后注浆缺陷、环面不平整、盾构纠偏或曲线推进等不利工况,分析隧道结构的受力和变形特征。结果表明:K块挤入对邻接块的受力状态的影响最为明显,K块宜位于衬砌环腰线以上区域。环面不平整、壁后注浆缺陷和盾构纠偏(或曲线推进)将显著影响盾构推进阶段的衬砌的受力和变形。当环面不平整超过1 mm时,壁后注浆缺陷超过1 m²,或盾构纠偏顶部推力最大时,极易造成管片结构局部开裂、破损。在今后的设计和施工控制中应予以充分考虑。     

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。     

软弱富水地层大直径泥水盾构管片上浮与错台分析

隧道下穿江河是盾构地铁隧道建设中的技术难点之一,因设计或施工不当引起的变形甚至坍塌,将会导致巨大的经济损失和不良的社会影响。文中以杭州地铁8号线文桥区间风井至桥头堡站区间工程为背景,结合隧道一次性下穿越钱塘江的工程特点,采用有限元软件PLAXIS 3D对该标段的开挖进行数值模拟,研究泥水盾构下穿钱塘江施工其隧道管片的变形机理。通过对开挖过程中不同水头高度变化下的管片上浮情况进行对比分析,得出水头变化-隧道管片上浮的关系。利用建立的有限元模型对泥水盾构穿越不同土层进行计算分析,对比各种工况下管片的上浮情况,得出泥水盾构穿越不同土层时管片的上浮规律。利用建立的有限元模型对泥水盾构中盾尾注浆参数调整进行计算分析,得出注浆参数对于管片上浮情况的影响规律,并进一步探究注浆参数调整对于盾构穿越不同土层时管片上浮的影响情况。     

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。     

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。     

地铁盾构衬砌管片加载裂缝的分析

盾构衬砌管片在拼装和使用中出现很多裂缝问题,通过衬砌管片的加载考察分析影响衬砌管片裂缝开展的因素,为管片结构优化设计提供技术支持。分别采用普通盾构衬砌管片(纵筋采用直径18mm的HRB335钢)和加重盾构衬砌管片(纵筋采用直径22mm的HRB335钢)两种管片的加载裂缝对比情况来分析影响衬砌管片裂缝的因素。试验结果表明,初始裂缝主要受混凝土的影响,钢筋作用不明显。加载力越大,裂缝开展深度越大。破坏时加重管片的混凝土破坏更为严重。裂缝开展严重地方在中心螺栓孔附近,此段主要承受弯矩,两旁螺栓至接头处基本不开裂,此段主要受轴向力的作用。外侧保护层破坏时钢筋屈服,衬砌管片承载力急剧下降。衬砌管片开裂主要在管片环的上部,应该重点加强承受上部土压力的管片强度,初始裂缝与混凝土有密切关系,应该重点加强上部混凝土的强度或在两侧螺栓孔中间添加钢纤维以加强。     

抗偏载特性盾构推进系统下管片有限元分析

盾构施工法修建的隧道整体质量一般取决于管片的质量,必须保证管片在衬砌过程中不破裂,所以对管片的分析工作在盾构施工法中显得尤其重要。本文主要采用ANSYS有限元法对隧道管片进行受力分析,分别考虑均匀系统、四分区系统以及非均匀系统在复合地层的影响下管片的受力情况,通过分析管片变形云图发现,在非均匀布局下管片的变形最小,受力也最均匀。     

盾构管片力学性能试验平台研究

针对盾构斜井管片力学性能试验的需要,设计制作了集加载系统、数据采集系统于一体的整环管片力学性能试验平台。该试验平台利用张拉钢绞线对管片施加环箍力模拟水压力,利用贝雷架和液压千斤顶施加集中荷载模拟土压力,利用数据采集系统测量管片加载过程中的受力和变形情况。通过现场测试,验证了该试验平台的有效性。     

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。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

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。