武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。     

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。     

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。     

南京长江隧道超大断面管片衬砌结构体的相似模型试验研究

采用室内相似模型试验方法对南京长江盾构隧道φ14.5m超大断面单层装配式管片衬砌在高水压条件下的力学行为特征、结构与周围土体的相互作用关系进行研究。研制了水压装置,实现了真实水压对于大断面水下盾构隧道结构力学特性影响的模拟。重点讨论了变水压与恒定水压作用下管片衬砌结构内力的差异、管片衬砌拼装方式对内力分布的影响,并与有限元计算结果进行了相互验证。研究结果可为南京长江隧道工程的设计、施工提供指导性建议,并可为相关工程提供一定的参考。     

水下盾构隧道管片力学特征研究

高水压条件下盾构隧道施工时,渗流场对衬砌管片结构的稳定性有很大影响。以南昌地铁3号线下穿青山湖段工程为研究背景,运用有限差分软件FLAC3D对不同水压情况下盾构隧道围岩及衬砌管片结构进行流固耦合分析,得出围岩孔隙水压力、竖向应力,衬砌管片外水压力、位移的分布规律。结果表明:不同水头压力下隧道开挖后围岩孔隙水压力、竖向应力分布规律大致相同,其数值大小与水头压力呈正相关;隧道开挖后管片拱腰两侧的外水压力较初始值降低幅度较大,在水力坡降的作用下,极易发生涌水;水头压力的大小对管片竖向位移的影响较显著,对水平位移的影响不太明显。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

不同地层盾构隧道管片力学行为研究

盾构隧道施工过程中管片衬砌由于受力复杂,容易发生局部破损的情况。文章依托深圳城市轨道交通5号线区间隧道盾构施工,在现场基于测试方法研究了管片衬砌在施工中的力学行为,对比探讨了隧道下穿软硬不均地层、粘土地层和上覆建筑物的全风化花岗岩层中衬砌所承受的轴力和弯矩。研究结果表明:不同地层中盾构隧道的力学性能有较大差异,但是它们的力学性能变化阶段是一致的。即:当管片刚拼装完成时,在盾壳的保护下,内力较小;管片内力在管片脱出盾尾后达到最大峰值;当管片拼装上一定时期后,管片内力趋于稳定,其内力一般较管片刚脱出盾尾时要小。     

内水压条件下盾构隧道复合衬砌破坏机理原型试验研究

盾构输水隧道工程常采用复合衬砌结构型式，钢筋混凝土内衬具有施工便捷等优势成为常用内衬之一，但在内水压作用下容易开裂，钢筋混凝土内衬开裂后复合衬砌承载能力成为工程中设计的关键问题。本文对盾构隧洞钢筋混凝土内衬复合衬砌结构展开原型试验，研究内水压作用下复合衬砌的全过程变形破坏规律，揭示复合衬砌内压承载机理。试验结果表明：(1)内外压差达到0.22MPa时，内衬开始开裂，内衬开裂后盾构管片承担更多内水压力，随着内水压增长，接头手孔处混凝土出现损伤，最终内外压差达到1.78MPa时，管片接头混凝土断裂，复合衬砌丧失承载能力；(2)管片接头是复合衬砌薄弱环节，裂缝首先产生于内衬临近盾构管片接头处，然后沿环向均匀增加，内衬产生裂缝后，混凝土通过与钢筋的黏结作用共同承担内水压力，因此随内水压增加内衬发生多次开裂；(3)内衬开裂、接缝损伤后复合衬砌抗拉刚度分别下降为其弹性状态时的23.8%,12.3%,内衬开裂对复合衬砌承载能力影响最为显著。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

铁路隧道管片衬砌承受高水压分界值研究

铁路隧道一般位于山岭或水下的复杂地质环境中,面临着地下水的威胁,国内工程界对于管片衬砌所能承受的高水压一直没有明确的分界值。针对管片衬砌结构型式的特点,从接缝防水及结构受压承载能力两方面对高水压分界值展开研究。提出了管片衬砌结构高水压限界的定义及判定方法,求解了不同围岩级别、不同管片设计参数（混凝土强度等级、厚度）条件下的管片衬砌高水压承载能力。最后通过大比例尺模型试验对衬砌受水压作用的力学特征进行分析。研究结果表明：管片接缝在允许的张开量和错位量的前提下,同时考虑设计材料的应力松弛与老化,密封垫设计承受的最大水压能力约在 0.8 ～ 1.0 MPa 之间;管片环不同位置处的受压承载能力安全系数近似呈正弦曲线分布,拱顶及拱底位置为衬砌结构受力控制点,提高混凝土强度等级或加大管片厚度可以显著增加管片衬砌的受压承载能力;高水压条件下结构呈受压破坏,低水压条件下呈受拉破坏,一定范围内提升管片的外水压力,衬砌结构的轴力值增加明显,弯矩值变化幅度不大,对于结构受力是有利的。     

武汉长江隧道管片衬砌结构受幅宽影响的力学分布特征研究

 以武汉长江盾构隧道为工程背景,通过引入管片接头的弯矩–轴力–转角非线性曲线参数的三维壳–非线性弹簧计算模型对幅宽为1～10 m的管片衬砌结构的三维力学分布特征进行系统研究,并与传统梁–非线性弹簧模型的内力结果进行比较,得出管片衬砌结构受管片幅宽影响的内力分布规律。最后通过大比尺相似结构模型试验对计算成果进行验证。研究结果表明：三维管片衬砌结构的最大正、负弯矩一般发生于幅宽边缘部位;就幅宽边缘的最大弯矩而言,在偏安全地假定环间剪切刚度无穷大的情况下,梁–弹簧模型的最大值和三维结构最大值基本相等,表明采用梁–弹簧模型的计算结果用于结构分析是可以确保安全的;就幅宽中央的最大弯矩而言,梁–弹簧模型的最大值比三维结构相应结果明显偏大,说明采用梁–弹簧模型计算结果进行管片配筋会使幅宽中部区域结构配筋率偏大,造成不必要浪费;大幅宽管片的环间接头径向剪力值比梁–弹簧模型的计算结果小,并且幅宽越大两者差值越大。该研究成果对于类似大型越江和海底盾构隧道优化管片结构配筋和分析管片结构安全具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

输水隧道单层衬砌管片接头抗弯力学特性研究

因受到复杂的外部水土压力和较高的内水压力共同作用,单层衬砌盾构法输水隧道具有独特的接头构造。针对上海青草沙输水隧道(岛屿陆域段)单层衬砌管片接头的特点(铸铁手孔,双层螺栓),借助1:1足尺荷载试验及三维非线性弹塑性数值模拟对单层衬砌输水隧道管片接头的抗弯力学特性进行了研究。获得了单层衬砌输水隧道管片接头在不同接头轴力(拉/压力)、不同接头弯矩(正/负弯矩)和不同螺栓预紧力条件下接头张角及抗弯刚度的变化规律;并获得了环向螺栓轴力随接头弯矩的变化规律及管片接头的变形特性,研究成果可供类似工程借鉴。     

大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究

通过对盾构隧道横向刚度有效率的影响因素进行分析,提出了针对大断面水下盾构隧道横向刚度有效率的原型试验求解方法,进而对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构开展原型试验,得出两座隧道管片结构 和 随荷载条件变化的规律。结果表明,在同等荷载条件下,断面越大, 越小,对应 越大,错缝结构的 大于通缝结构。正弯区与负弯区的 不同,对于不同的管片结构型式, 与 的对应关系不同。同时,针对两座隧道不同结构形式给出了 , 的关系曲线,并提出了 10 m 级和 15 m 级水下盾构隧道通缝与错缝条件下 与 的建议值。     

上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究

隧道近接上覆水平采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道衬砌结构受荷特性,采用室内相似模型试验量测了上覆水平煤层采空区地层隧道二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了不同边界压力作用下位移、轴力和弯矩的变化情况和特定压力下间距对二次衬砌受力的影响。结果表明:上覆采空区对洞周位移和二衬内力造成了一定影响,采空区底板与隧道间距越小,位移越大,当竖向压力为1000 k Pa时,与无采空区工况相比,0.5D工况最大位移增加93.73%,1.0D工况增加27.90%;弯矩和轴力的增加越明显,当竖向压力为500 k Pa时,与无采空区工况相比,间距0.5D工况最大弯矩增加139.68%,间距1.0D工况最大弯矩增加34.39%,采空区的存在导致轴力分布形态变化较大,间距0.5D工况平均轴力增加78.39%,间距1.0D工况平均轴力增加37.81%;最大偏心距出现在仰拱部位,承载能力相对较低,是隧道主体结构的薄弱环节;二次衬砌仰拱位置最先开裂,煤层采空区对裂缝展开顺序有一定影响。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究

 在分析现有3种双层衬砌数值模型的基础上,提出改进的双层衬砌盾构隧道衬砌梁–接头弹簧–结合面压杆弹簧组合分析模型。该模型采用压杆、结合面点位移耦合等技术,解决现有模型中地层与衬砌之间、双层衬砌结合面之间存在拉力以及结合面剪切应力与剪切位移无关等问题,提出适用于该模型的双层衬砌结合面和地层衬砌接触面参数计算依据,探讨结合面单元数量对分析结果的影响,研究杭长客运专线钱塘江隧道双层衬砌的力学行为。研究结果表明：(1) 双层衬砌厚度增大将引起双层衬砌弯矩明显增大,其增大趋势与双层衬砌厚度增大趋势基本一致;(2) 双层衬砌厚度的增大对轴力的影响甚微;(3) 双层衬砌弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的厚度相对比例无线性关系。研究结果对未来水下双层衬砌盾构隧道的设计分析具有一定的参考价值。