基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

近距离下穿既有盾构隧道的隧道钻爆降振技术研究

以广深港客运专线益田路隧道为工程背景,对爆破作用下既有盾构隧道管片的振动响应进行研究。结合应力波理论计算了盾构隧道管片的爆破振动速度安全允许值,并利用现场数据进行验证;结合既有隧道的现场监测数据,分析了管片的振动速度变化规律,提出了减振措施和优化爆破方案,确保既有盾构隧道的运营安全。结果表明:爆破施工过程中,既有隧道衬砌管片最大振速达到7.19 cm/s,小于计算的9 cm/s安全允许振动速度,管片接缝无损伤,计算的衬砌管片安全允许振动速度可为类似工程提供参考;钻爆法近距离下穿既有盾构隧道时,采用电子雷管起爆技术,并结合适当的减振措施,可以有效降低既有隧道衬砌管片的爆破振动速度,确保结构安全稳定。     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

水下盾构法铁路隧道管片衬砌结构的 原型加载试验研究

针对我国第一条水下铁路盾构法隧道——狮子洋隧道,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置原型管片衬砌结构,在通缝和错缝不同的拼装方式下进行了原型结构加载试验,对其结构力学性能进行深入探讨。试验结果表明,不同水压条件下管片衬砌结构力学特征不同,尤其是当结构开裂后,高水压对于结构内力与形变的发展有明显的减缓作用。狮子洋隧道采用的榫式接头管片结构在通缝与错缝拼装下的破坏特征不同,通缝拼装时结构在高水压条件下纵缝附近区域易发生局部剪切破坏,该研究成果可为同类工程的设计提供有价值的参考。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法研究

为探明隧道盾构注浆荷载作用引起带榫管片水平轴线偏移规律，以小曲率半径盾构隧道为例，分析壁后注浆引起管片上浮的诱因，考虑管片环“椭圆化”变形、纵向连接螺栓预应力、环缝影响范围和横向刚度等综合因素的影响，建立榫杆连接条件下带榫环缝的管片单元纵向等效抗弯刚度有效率计算式，并通过计算盾构注浆荷载作用下带榫管片的静态和动态上浮力，构建盾构注浆荷载作用下带榫管片上浮力计算表达式，由此分析小曲率半径隧道盾构注浆荷载作用下带榫管片受力情况及其在文克尔弹性地基梁假定条件下受上浮力作用的挠曲变形规律，建立盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法，并依托实际工程加以验证。结果表明：该文理论值与模拟值和监测值均拟合良好，该文计算方法具有良好的工程适用性，可为盾构隧道工程及其类似工程中注浆荷载作用下管片偏移及错台问题提供有效的理论指导。     

真空管道双层衬砌结构力学特性研究北大核心CSCD

为了保证真空管道运输系统的密封性能,提出了盾构管片与二次衬砌组合的真空管道结构。基于双层衬砌数值仿真模型,以上海淤泥质粘土为模拟地层,分别分析了复合式衬砌结构和叠合式衬砌结构真空管道的内力分布。在与常规盾构隧道内力对比的基础上,分析了复合式和叠合式两种结构形式的真空管道内力分布差异、压差荷载引起的轴力增量及层间接触压力等力学特性,探讨了压差荷载、竖向荷载、结构形式等因素对双层衬砌结构内力的影响规律。结果表明:双层衬砌结构的真空管道在压差荷载作用下对衬砌的弯矩无影响,但会引起轴力增量;当竖向荷载较小时,压差荷载会使真空管道双层衬砌结构产生脱离区,脱离区随着竖向荷载的减小逐渐发展扩大;复合式真空管道的管片、二衬的弯矩量值大于叠合式真空管道;在较大的荷载条件下,复合式真空管道横断面轴力分布不均匀比叠合式真空管道更加凸显。     

软土地区侧压损失对盾构隧道受力及变形的影响

针对软土地区地铁沿线工程活动导致盾构隧道收敛变形增大的问题,采用1:10相似模型试验和精细化3D有限元模拟相结合的方法,研究了侧向压力损失对盾构隧道结构处于弹性阶段与塑性阶段的受力及变形的影响规律。研究结果表明:当侧向压力损失较小时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈线性关系,盾构隧道结构处于弹性阶段;当侧向压力损失增大时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈指数型关系,盾构隧道结构进入塑性阶段;增大管片厚度能有效提升管片的抗变形能力,但抗变形能力会随厚度增大而趋于平缓;从混凝土结构偏心受力的角度分析,盾隧道管片厚度增大会导致结构从小偏心受压向大偏心受压转变,但从结构应力/应变的角度分析,管片的最大应变值减小,从而使盾构隧道结构处于更安全的受力状态。     

不同爆炸荷载下长江隧道的动力响应和损伤分析

运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,对长江隧道中的非接触空中爆炸和接触爆炸等2种工况进行数值模拟分析,研究2种爆炸工况中盾构隧道衬砌结构内的能量耗散特性,基于能量原理探讨盾构隧道中衬砌结构各部位的动力响应,明确不同工况中隧道内爆炸冲击波的传播过程,获得隧道行车道板和衬砌结构的损伤特征,研究结果为大型盾构隧道抗爆设计提供理论依据.     

管片裂缝的预防

随着隧道盾构法施工的推广，越来越多的隧道施工单位开始使用盾构机进行隧道掘进施工，盾构掘进法是从国外引进的目前最先进的隧道施工方法。管片是盾构法施工中隧道结构衬砌的主体，设计使用年限为100年。管片质量的好坏直接影响整个隧道工程的使用寿命，管片在生产过程中，尤其在脱模后表面因为各种原因会出现较多的裂缝，对后续的修补工作带来很大的麻烦，     

北京地下直径线大直径盾构隧道技术研究

以北京地下直径线双线大直径(Φ11.6m)盾构隧道的设计技术研究为背景,重点介绍了该盾构隧道的盾构选型、盾构管片结构计算、管片结构设计、管片防水设计等技术,并对该盾构隧道施工的设计要求做了简单叙述,对今后类似工程具有一定参考价值。     

管片衬砌配合陶粒可压缩层的支护结构与围岩相互作用模型

提出了一种适用于深部蠕变地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术。通过模型试验研究了陶粒可压缩层的让压效果,在此基础上针对围岩蠕变特性和陶粒可压缩性建立了围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用的理论模型,得到了不同隧道埋深和不同厚度的陶粒填充层时围岩变形和管片衬砌支护应力随时间的变化规律,确定了深部蠕变地层确保管片衬砌长期安全的陶粒可压缩层最小填充厚度的计算方法。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状孔隙构造使其具有高可压缩层性,可以有效地吸收围岩蠕变变形,消减管片衬砌支护压力,改善其受力特性;理论模型可以有效地分析围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用关系,对于管片衬砌壁后填充陶粒可压缩层的厚度设计具有指导作用。研究结果对未来TBM工法在深部蠕变地层修建隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

隧道病害整治方法探讨

针对我国目前铁路隧道在运营中常见的病害,铁路隧道出现的衬砌开裂、拱部漏水、边墙淌水、施工缝、变形缝及混凝土裂缝渗水等几种病害类型,介绍了铁路隧道的病害种类以及所造成的危害,分析隧道各类病害的成因、影响因素,提出了几种整治方案,以及预防铁路隧道产生病害的技术措施.     

盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析

针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土（UHPC）材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。     

隧道管片钢模宽度的数字化测量方法

随着当今生活节奏的逐渐加快,地面交通条件已无法满足人们通行要求。地铁及其隧道工程应运而生。在盾构技术的基础上,作为地铁隧道的永久衬砌,预制钢筋混凝土管片的选型与高精度生产就显得尤为重要,管片的质量与精度直接影响着隧道的质量与城市安全。而管片的精度高低直接与管片钢模精度有直接联系,时刻保证钢模精度在隧道产业中十分重要。本文主要结合激光测距技术与数学算法,针对于测量隧道管片钢模宽度提出一种简单易行的数字化测量方法。     

盾构隧道衬砌整环力学机理模型

目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明:力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。     

大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究

大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

凉风凹1号隧道混凝土衬砌裂纹的处治

通过对凉风凹1号隧道衬砌出现裂纹因素的分析及施工处治，总结了该隧道混凝土衬砌产生裂纹的原因及治理措施，进一步探讨了该类型公路隧道裂纹的成因和防治技术。     

联络道爆破施工对临近盾构隧道的影响分析

针对盾构隧道间联络道爆破开挖影响隧道稳定性的问题,通过数值模拟建立联络道与隧道管片的数值模型,以联络道掌子面与隧道间不同距离L作为研究工况,获取不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响。通过模拟可知,当联络道掌子面与管片距离L为0时,盾构隧道管片是极不稳定的。以盾构隧道管片连接螺栓的屈服强度作为临界值,通过建立螺栓应力与距离L的关系,得到当L不小于1.43 m时,螺栓所受到的应力不大于其屈服强度,而分析管片间相对位移与L的关系,得到管片间的最大相对位移为2.88 mm。由此可知此时盾构隧道管片是安全的。通过对隧道爆破振动进行监测,得到了当安全距离为1.43 m时爆心距为3 m的监测点的最大振速为37.09 m/s,此数据虽然超过了爆破安全规定,但螺栓强度和管片位移都符合安全规程要求,施工质量可以得到保证,隧道仍然安全稳定。