盾构隧道管片施工期上浮特性

针对盾构隧道管片施工阶段的受力特点,建立包含管片与螺栓、盾构机作用、浆液和水土压力作用的管片施工期上浮三维分析模型.借助有限元软件ABAQUS进行求解,对管片施工期上浮变形规律及其引起的管片环接头变形、螺栓受力进行分析.结果表明：第1～5环管片环接头以错台变形为主,第6～12环管片环接头以张开变形为主;减小浆液初凝点与盾尾的距离对控制管片上浮最为有效;当千斤顶总推力较小时,可以通过增加千斤顶总推力进行上浮控制;增加螺栓预紧力对减小管片上浮量的作用比较有限.     

盾构隧道已开裂管片的受力变形特性

结合广州地铁某已运营的盾构区间隧道现状,通过采用三维Goodman单元来模拟管片已存在的裂缝,对盾构区间隧道已开裂管片的裂缝深度变化对管片结构造成的影响进行了分析,同时也对侧向土压力、地基弹簧系数以及地下水位等几种重要因素对管片受力变形特性的影响进行了评估.研究表明,随着裂缝深度的增加,管片砼的拉应力、压应力虽然达到最大值,但变化幅度并不大.但当裂缝接近径向贯通的时候,钢筋的拉应力值会大大增加,有可能超过允许值.同时,在盾构管片存在既有裂缝的情况下,盾构管片的最大拉应力值、水平和竖向收敛值、竖向沉降值均随侧向土压力系数、地基弹簧系数的减少而增大,同时随地下水位埋深的增大而增大.根据研究结果,对该区间隧道盾构隧道的裂缝等病害采取了针对性修复措施,目前无新的裂缝出现,总体处于稳定及安全的状态.     

地铁盾构隧道管片安全状态评价

为准确评价地铁盾构隧道管片安全性,基于对地铁盾构隧道管片结构病害的形成机制分析,从管片变形、渗漏水、裂缝、拱顶脱落、材料劣化5个方面建立评价指标体系,划分管片结构安全状态评价等级,构建未确知测度函数,通过基于熵值改进的G2法确定权重,根据置信度识别准则判断风险等级,并将模型应用于某地铁盾构隧道,对其管片结构进行安全状态评价。研究结果表明：采用未确知测度理论能够准确评价隧道管片的安全等级,结果准确,实用性强。     

盾构隧道管片开裂原因及数值仿真

本文从地质原因、管片接头刚度、右线施工时对左线管片受力影响等方面分析了某地铁管片在使用中的开裂原因,并利用数值方法分析了管片接头刚度变化和右线施工时对左线管片受力的影响。分析结果表明:管片接头处的连接块和封顶块变形不相等,封顶块的变形比连接块的大,当外荷载增加时,连接块会承担更多的荷载,如果超过其开裂荷载就会产生裂缝;后施工的右线盾构掘进过程对先施工的左线隧道管片受力也有影响,后施工隧道所产生塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上方,会引起既有线路管片环向拉应力发生改变。综合分析地质原因、管片接头刚度、右线施工时对左线管片受力影响,找到了裂缝隔片产生在连接块上的原因。研究成果对管片隧道工程在设计和施工中预防裂缝出现具有一定的指导意义,可为类似工程提供借鉴。     

下穿铁路的盾构隧道管片内力的研究

以盾构隧道下穿铁路为依据,考虑盾构推进时上部列车行进产生的荷载,采用地层结构法,利用有限元分析软件建立数值模型,综合分析了在施工开挖阶段和施工完成后运营阶段列车动应力和隧道管片内力之间的影响。     

海底取水盾构隧道管片力学性状的数值研究

为了研究海底取水隧道管片在施工和运行过程中力学性状的不同,采用三维实体模型对国内首次采用八环错缝拼装的三门核电取水隧道标准段进行分析.模型中管片采用实体单元模拟,螺栓采用梁单元模拟,充分考虑各接缝间的接触作用.计算结果表明,与施工阶段相比,运行期整体直径变形增大了1.5倍,最大正弯矩增大了44.4%,环向螺栓受力增大了近11倍,各接缝张开量增大了近9倍.八环错缝拼装时,关键块位置的改变将在一定程度上影响各环的内力分布,运行期各环拱顶处正弯矩最大值是最小值的2.22倍.对于取水隧道而言,运行期充水工况是控制工况.     

盾构隧道管片衬砌内力计算方法对比分析

论述了盾构隧道管片衬砌内力计算的梁-弹簧法和弹性匀质圆环法。结合一工程实例,采用此两种方法对管片衬砌内力进行了计算,并对计算的结果进行了对比分析。结果表明,采用梁-弹簧法进行设计是安全的、经济的,值得推广应用。     

泥水盾构管片拼装机力学特性分析

针对泥水盾构管片拼装机工作时管片的拼装顺序,本文提出管片拼装机工步规划。利用多体动力学软件建立管片拼装过程的动力学仿真模型,研究管片安装时托梁和扼架的力学特性,为托梁和扼架的静力学分析提供了载荷边界条件。静力学仿真结果表明:托梁应力小于70 MPa,扼架应力小于80 MPa,两者应力计算结果均远小于许用应力,安全系数较高;托梁和扼架的最大变形较小,证明该管片拼装机整体刚度较好。对管片拼装机进行现场测试,托梁和扼架测试结果与静力学仿真结果的误差小于11%,误差在合理范围内。目前,该设备在穿黄地铁工程上应用良好。     

崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计

为了研究盾构法隧道管片衬砌结构强度的历时老化和衰减及其服务寿命的预测问题,提出了对其进行耐久性设计的一种基本方法。主要讨论的内容有：钢筋混凝土管片结构的腐蚀机理;影响隧道混凝土结构耐久性的主要因素;管片接头螺栓和防水材料的耐久性;钢筋混凝土管片结构耐久性设计方法;隧道结构服务寿命预测,以及提高隧道管片衬砌耐久性的工程措施——综合防治。该研究成果已在崇明长江隧道工程中得到了初步应用。     

基于弹性地基曲梁理论的盾构隧道管片分析方法

基于弹性地基曲梁理论,考虑管片接头的抗弯、抗压和抗剪性能,采用状态空间法,求得圆形盾构隧道管片环在周围土压力作用下变形和内力的解析解. 通过与有限元和简化解结果的对比,验证了解析结果. 参数分析表明,在盾构工法的典型地层范围内,接头剪切刚度的变化对衬砌内力和变形的影响明显小于其他2个方向刚度的变化. 衬砌的水平变形由受压内缩趋势和荷载差异导致的横扩趋势共同决定. 接头轴向刚度的削弱加剧内缩趋势,土弹簧的存在对上述2种趋势的发展起限制作用. 当接头轴向刚度较小时,内缩趋势占主导地位,将导致衬砌向内的水平变形.     

盾构隧道管片接头在内爆炸作用下的动力反应

为了研究盾构隧道管片接头在内爆炸作用下的动力反应特点,基于显式动力分析软件LS-DYNA程序,以典型地铁区间盾构隧道为例,建立了考虑管片-管片、管片-螺栓及管片与周围土体界面接触效应的三维计算模型,研究了盾构隧道在内爆炸冲击荷载作用下的破坏机理,揭示了管片和连接螺栓的破坏特征。计算结果表明,提高连接螺栓强度和延性可改善盾构隧道的抗爆特性。     

小净距盾构隧道施工管片附加应力监测与分析

为了研究在小净距隧道施工过程中新建隧道对先行隧道内力的影响,本文通过实际工程现场监测数据,总结了先行隧道管片附加内力大小及变化规律.采用振弦式表面应变计和频率读数仪对北京地铁某区间先行隧道管片环向和纵向的附加应力进行了现场监测,给出了环向附加应力和纵向附加应力历时变化曲线,并对不同测点附加应力在历时变化中最大值及稳定值进行了比较分析.监测结果表明:环向应力为压应力,其量值比纵向应力的量值大,且水平直径处受力最大,最大值达12.77 MPa.所得结论定量评价了小净距盾构隧道施工相互影响程度,为盾构隧道设计施工监测提供参考依据.     

高铁隧道大直径盾构钢纤维混凝土管片设计和优势简析

为提高钢筋混凝土管片的抗裂性能和服役寿命,本文依托望京高铁隧道大直径盾构研究项目阐述盾构钢纤维钢筋混凝土管片的结构设计,通过对比钢纤维钢筋混凝土管片和钢筋混凝土管片的设计结果和成本优势,得出增加钢纤维减少钢筋用量不但降低成本,而且减小混凝土裂缝宽度达26%,提升管片耐久性.钢纤维钢筋混凝土管片设计在国内是个创新,可为地下轨交建设钢纤维混凝土预制管片一类工程的实际应用提供理论支持.     

膨胀土地层下地铁隧道盾构管片受力数值计算分析

针对膨胀土变形对合肥地铁隧道盾构施工影响规律,基于修正惯用法理论,应用ANSYS模拟软件对合肥地铁盾构管片受力进行分析,研究其在不同膨胀力作用下管片受力及变形的变化特点.结果表明:合肥地铁盾构管片在膨胀土的膨胀力作用下,管片侧向水平位移得到一定程度的抑制,对隧道顶底部位移产生一定的控制作用;随着膨胀力的增大,管片整体围岩压力水平提高,管片轴力及其接头处的应力也相应增加.当轴力达到一定量值时,管片接头处将发生错台破坏,不利于管片的整体稳定.在膨胀土中进行盾构施工时,应合理控制土体的膨胀变形,才能保证盾构管片的长期稳定,研究成果为地铁隧道的快速施工及安全运营提供可靠的技术保障.     

黄土地层中盾构隧道管片上浮机理与影响因素分析

盾构隧道掘进过程中的管片上浮是一种普遍存在且影响施工质量的重要问题.结合工程实例,对黄土地层中盾构管片的上浮原因进行了总结分析,提出为了平衡盾构机机体重力差,预先设置一个千斤顶推力的仰角,并通过有限元数值模拟,分析了不同埋深下的地层作用、浆液浮力、注浆压力差以及千斤顶推力对管片上浮量的影响,得出注浆压力差与千斤顶推力的大小是影响管片上浮的主要原因的结论,并提出合理控制千斤顶推力的大小可起到减轻管片上浮的作用.     

高风险隧道施工期水害预报方法研究

隧道水害在隧道施工期普遍存在,尤其在岩溶地区,隧道施工中80%遇到水害,隧道水害给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失.主要介绍了目前国内外对于高风险隧道施工期水害探测的方法:水文地质法、地质雷达技术、瞬变电磁法、红外探水法等.并对每种方法进行了现场工程应用,对高风险隧道施工期水害超前预报及施工安全具有一定的理论价值和工程实用价值.     

考虑不同管片拼装方式的超大直径盾构隧道衬砌受力变形分析

以扬州瘦西湖超大直径盾构隧道为背景,采用有限元法建立能够考虑衬砌块与块、环与环、衬砌与周围土体相互作用的精细化"梁-弹簧"数值计算模型,结合隧道场地条件,计算得到作用于隧道衬砌上的力,采用荷载-结构法计算了错缝和通缝拼装方式下衬砌的内力和变形,分析了不同拼装方式对两者的影响.结果 表明,错缝拼装方式下,衬砌水平位移、竖向位移和角变形均小于通缝拼装方式下的相应值,较通缝拼装分别减少约11.5％、27.7％和26.4％;错缝拼装方式下,衬砌轴力、剪力及弯矩均大于通缝拼装方式下的相应值,较通缝拼装分别增大约19.6％、54.0％和236％;错缝拼装与通缝拼装相比,错缝拼装具有较好的抗变形、防水性能,通缝拼装具有较好的受力、经济性能,考虑到瘦西湖隧道工程投入大、境内水量丰富且变形控制要求高,因此建议选择错缝拼装方式.     

地面堆载下盾构隧道管片与环缝接头的性状分析

针对地面堆载对隧道管片与环缝接头影响的问题,提出地面堆载对下方隧道管片及环缝接头影响的三维数值分析模型和方法.该方法采用连续体有限元模型分析堆载引起的附加应力,并提取应力调整系数,将盾构隧道每环拼装结构等效为均质圆环、环与环之间采用螺栓连接,进行应力叠加三维荷载-结构分析.减少计算工作量,反映盾构隧道主要纵向特性.应用该方法对杭州地铁1号线隧道管片以及环缝接头在堆载作用下的响应进行分析,与现场监测结果进行对比.结果表明,数值模拟结果与现场结果有着较好的吻合,能够有效揭示隧道管片和环缝接头在堆载作用下的变形和破坏规律.     

盾构管片拼装机举升机构优化设计

分析了管片拼装机垂直升降油缸举升机构和平行四边形举升机构的异同,得出采用平行四边形举升机构在空间的布置以及结构性能方面都优于采用垂直升降油缸举升机构。通过对管片拼装机的平行四边形举升机构进行建模分析,并采用MATLAB优化工具箱对平行四边形举升机构进行优化设计,对比优化前后液压油缸受力曲线,得出优化后的液压油缸受力明显小于优化前。     

盾构管片结构的力学行为分析

基于弹性理论建立了管片结构环向刚度模型以及管片环向内力模型,并对管片接头部位的各相关参数进行了分析。研究结果表明,管片结构内力模型的理论计算结果与有限元计算结果相吻合,具有较高的精度。刚度计算模型能准确地揭示出管片结构环向变刚度的分布规律。环向最大正弯矩会随着管片接头处刚度的降低而增加。环向弯矩的分布状态也会随着接头数量和锲块位置的改变而改变。