热力盾构隧道先盾后井施工对环缝及管片受力影响的研究

在盾构隧道施工中先盾后井施工是一种高效经济的施工工法。本文以我国首条热力盾构隧道工程为背景,结合现场的监测数据,获得不同施工阶段下与竖井连接范围内的管片轴向应力和环缝的张开量变化规律,然后基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁的理论,对先盾后井过程中的盾构隧道衬砌受力的特征进行了分析,最后结合三维数值模拟方法,分析了不同隧道埋深、地层特性及注浆加固范围对竖井周边盾构管片的轴向应力及环缝张开量的影响。研究表明,在热力隧道的先盾后井工法施工中,竖井开挖产生的临近隧道附加应力及管片拆除产生的残余顶力消失是引起隧道轴向应力损失及环缝张开的主要原因。竖井施工中,由附加应力产生的负弯矩作用于隧道上,导致隧道底部轴向应力减小、环缝张开,拆除竖井内管片时,作用于端头管片的盾构残余顶力和螺栓预紧力消失,导致管片轴向应力的进一步减小及环缝张开,且对顶部管片影响更大;随着隧道埋深的增加,顶部管片轴向应力损失及张开量逐渐增大,而底部逐渐减小;不同地层对隧道顶部管片轴向应力损失及环缝张开影响很小,但对底部管片影响较大;在端头管片一定范围内进行注浆加固能有效减少轴向应力损失及环缝张开,建议加固区在4环左右,过长的注浆加固区,对管片的控制效果有限。     

软土盾构法隧道纵向应力松弛规律的实测分析

为研究软土盾构法隧道的纵向应力松弛特性,对钱江隧道典型断面的管片体、衬砌环面的纵向应力松弛特性和环间纵向连接螺栓轴力的时变特性进行了长达两年的现场实测。结果表明,软土盾构法隧道管片体的纵向应力松弛将经历周期性剧烈波动、动态稳定、逐渐衰减、趋于稳定四个阶段的演变,其纵向应力平均值由3 MPa逐渐松弛为1.2MPa,在达到稳定前至少需要1 a时间;与此同时,衬砌环缝面上的接触应力松弛也经历上述4个阶段的演变,其接触应力平均值由2 MPa逐渐松弛为1 MPa,在达到稳定前至少需要18个月;隧道环间连接螺栓轴力先减小、然后暂时稳定、最后增大,且在经历了2 a的显著波动后仍未稳定表明隧道纵向应力松弛导致接触状态仍处于复杂的演变过程之中,其最终稳定需要更长时间。软土盾构法隧道的纵向应力松弛是衬砌环间接触调整、土体–隧道结构接触调整和螺栓体松弛三大要素的时变性及其共同作用的结果,可导致隧道环面接缝刚度降低、环间抗剪承载力下降、环间接缝的防水密封性能弱化等,应引起工程界重视。     

壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响

壁后注浆作为盾构隧道施工中必备和关键工序,其质量的好坏不仅影响地层变形,还可能引起隧道在施工期的上浮,对结构产生较大影响。基于等效连续化模型和弹性地基梁理论,建立盾构隧道纵向分析模型,通过有限元数值模拟,求得最大上浮变形出现在盾尾后10环附近。借助环缝最大张开量这一参数,分析土层反力系数、环缝连接螺栓数量、隧道掘进速度及管片环宽度的影响,得到如下结论:(1)环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增大而减小,随隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大,且较为显著;(2)当隧道周围地层反力系数较小时,通过适当的地基处理方法来提高反力系数效果显著。     

斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变形的影响

盾构隧道管片接头的性能对衬砌环的受力和变形有很大影响,尤其在软土地区,接头变形过大会造成渗水和漏泥等危害。以盾构隧道复合管片斜螺栓接头为研究对象,基于实际隧道工程,利用ABAQUS建立了复合管片及斜螺栓的三维实体模型,对管片环向斜螺栓接头在荷载作用下的受力及变形规律进行研究,分析不同等级普通螺栓和高强螺栓对接头错台量和张开量以及斜螺栓应力应变的影响。分析结果表明:斜螺栓接头承受正弯矩的能力优于负弯矩;采用高强螺栓能够有效的减小接头张开量,增大接头刚度,从而减小渗漏现象;弯矩较大时,螺栓等级越高,高强螺栓对错台量的控制越好;同样荷载条件下,高强螺栓应力大于普通螺栓,但应变较小,等级越高应变越小。     

水下盾构对接拆机后管片应力松弛控制措施研究

盾构对接技术凭借其“相向掘进、地中对接、洞内解体”等技术特点,在水下盾构隧道施工中的应用愈加频繁,由于技术尚不完善,盾构拆机导致的掌子面失稳和管片衬砌应力松弛等问题亟待解决。依托某海底隧道工程,针对盾构地中对接管片槽钢加固技术展开研究,建立了管片衬砌壳 连接器模型,通过在环间预留间隙实现了管片环缝的模拟,计算了管片环之间的连接强度,能够详细模拟不同荷载下的环缝张开量。以环缝张开量为判断标准,对比分析了加固范围、槽钢数量和槽钢型号等因素对加固效果的影响,研究结果表明：随着加固环数的增多,最大轴向位移和环缝张开量均呈现先减下后增加的趋势;随着槽钢的数量增多、型号变大,最大轴向位移和环缝张开量逐渐减小,减小趋势逐渐放缓,离盾尾较远的管片环加固效果相对较弱。     

收敛变形对地铁盾构隧道纵向等效抗弯刚度的影响研究

基于场试验监测数据,对等效连续化模型进行了修正,考虑了隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算理论方法进行了对比。弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明：①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力-过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

基于修正纵向等效连续化模型的隧道变形受力研究

及时掌握隧道结构变形受力情况对于保证地铁运营安全意义重大。通过增加考虑横向刚度、环缝作用范围和螺栓预应力的影响,建立了新型的盾构隧道修正纵向等效连续化模型,据此提出了弹、塑性状态下隧道纵向等效抗弯刚度、极限弯矩以及最大环缝张开量的计算方程；以上海地铁二号线为工程背景,分析了横向刚度和环缝作用范围对隧道等效抗弯刚度的影响规律；之后建立了5类隧道结构临界状态下隧道纵向曲率半径、接缝张开值、管片应力、螺栓拉力的求解公式,并求得了对应的界限指标,所得指标值可作为隧道健康状态诊断的依据。     

天津滨海Z2号线盾构隧道接头螺栓比选及抗弯刚度研究

针对不同形式螺栓接头,充分考虑复杂接缝间的不连续性及接头预紧力,以天津滨海Z2号线盾构隧道管片纵缝为研究对象,分析比较了直螺栓、斜螺栓和弯螺栓三种接头在不同弯矩和轴力条件下对管片接缝力学性能的影响。根据分析结果给出了三种螺栓接头的适用性,以及三种螺栓接头在不同埋深、弯矩作用下的抗弯刚度建议值。研究结果表明:螺栓形式对螺栓最大受力位置影响很小;螺栓拉应力和接缝张开量随轴力的增大而减小,但接头抗弯刚度均随之增大;螺栓拉应力、接缝错台量和张开量随弯矩的提升而增大,但接头抗弯刚度随之减小。     

通道开口对超大直径盾构法车站结构力学行为影响研究及结构优化

针对狭窄空间地铁车站施工困难以及明挖施工造成道路长期封堵等工程现状,提出采用顶管法结合超大直径盾构隧道暗挖地铁车站的工法.针对工法中拆除管片后,未拆除管片轴力骤降,附近纵缝剪切和抗弯性能降低的结构特性,同时也为体现管片空间力学特征,文章提出采用基于荷载-结构模式的壳-接触计算模型,研究在拆除管片和拆除内部支撑的两个关键...     

Failure mechanism of tunnel lining joints and bolts with uneven longitudinal ground settlement

To simulate the failure mechanism of tunnel segmental lining joints and longitudinal bolts under uneven longitudinal ground settlement, a numerical model with 3D lining rings and bolts was established. The loads were divided into two parts: the soil pressure around the tunnel just after construction and a displacement loading according to field measurements of uneven longitudinal ground settlement. The interactions between the lining tenons, bolts and their holes, were determined. The results indicated that the deformation of the circumferential joints consisted of opening and dislocation, but the dislocation was dominant. The progressive failure of bolts and waterproofing measures were also revealed. The evaluation of structural integrity of circumferential joint and the mitigate measures were proposed in order to ensure the operational safety of a metro tunnel.     

管廊接头变形对接头防渗性能的影响

针对地下综合管廊渗漏规律不明确的现状，文中建立有限差分模型，首先对相邻两节段管廊施加荷载，对比分析单舱、双舱、三舱管廊在不同接头构造下、不同止水橡胶垫初始应力情况下，管廊接头渗漏的临界转角规律。结果表明，无论预应力钢筋连接还是螺栓连接，单舱、双舱、三舱管廊的连接处转角都与荷载成正比例关系，且预应力钢筋连接比螺栓连接防水性能好。沉降缝处的转角也与荷载成正比例关系，并且防水性能主要取决于止水橡胶垫的初始应力，与管片结构刚度关系不大。最后，以上海某隧道实际沉降数据为依据，研究管廊在不同沉降阶段止水橡胶垫和接头螺栓的受力，分析管廊沉降破坏模式。     

Numerical simulation of the uplift behavior of shield tunnel during construction stage

In this study, a new 3D numerical model that considers the circumferential joint, longitudinal bolt, grout pressure, jacking force and the constraint of shield on the linings is developed to derive deeper insights into the lining uplift behavior during shield tunneling. The numerical analysis is conducted using ANSYS, which is verified by a case history in soft soils. Revealed by both the measurements and calculation results, it is found that the lining uplift due to shield tunneling in soft soils can be divided into three stages: dislocation, stretch and steady deformation stages, respectively. In the dislocation stage, the lining deformation attributes principally to the dislocation deformation between neighboring linings. In the stretch stage, the lining deformation is mainly caused by the stretch deformation of circumferential joints. The major uplift is caused during dislocation stage. Thereafter, the impacts of shield-driving parameters including gradient of grout pressure, jacking force and pre-tightening force of longitudinal bolts on the uplift behavior are investigated by a series of parametric studies. The jacking force during segment preparation and assembly shows the most significant impact on the uplift of the tunnel, while the pre-tightening force of longitudinal bolts shows negligible impact. Finally, the control criterion for lining uplift related to the allowable dislocation and opening angle of circumferential joints is proposed.     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

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。     

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‰.