输水盾构隧洞内衬自密实混凝土施工技术

针对输水盾构隧洞复合衬砌中自密实混凝土井内高落差垂直运输、洞内长距离水平运输、密闭环形结构入仓、浇筑等施工难题,选用合适的自密实混凝土运输方法和入仓方式,通过模拟试验确定内衬钢管(内模)上的自密实混凝土浇筑孔间距,根据复合衬砌结构特性及自密实混凝土施工性能进行计算分析,合理确定浇筑段长度、分层厚度、入仓速度等浇筑工艺及质量控制措施。在珠三角水资源配置工程深圳分干线(试验项目)上应用,自密实混凝土运输过程骨料不分离、浇筑过程内衬钢管不上浮、未侧移,钻孔取芯结果表明,自密实混凝土的脱空高度(自密实混凝土与拱顶外衬管片之间的空隙)满足设计要求,在回填注浆后密闭环形内衬空间填充饱满,复合衬砌自密实混凝土质量良好,可供同类工程施工参考。     

盾构输水隧洞双层复合衬砌的联合受力分析

针对城市修建的地下盾构双层衬砌输水隧洞,由于隧洞围岩承载能力低、管片与二衬混凝土间可能存在初始间隙,在高内水压力作用下衬砌混凝土承受的应力过大,导致衬砌易出现拉裂和渗漏。本文通过有限元方法,对盾构双层衬砌输水隧洞进行模拟计算分析。结果表明:若管片、二衬之间不存在间隙,则大大降低二衬混凝土的拉应力及管片的压应力,使两者的受力趋于均匀,确保了管片和二衬混凝土组成的双层衬砌结构的联合受力作用。结果可为双层复合衬砌结构进一步优化提供依据。     

高内压作用下叠合式衬砌结构承载机理原型试验研究

本文针对"外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管"三层叠合式输水隧洞衬砌结构的承载性能及破坏机理,开展了结构在内外载联合作用下的原型试验。试验以分布式光纤感测技术作为主要测量手段,获得了加载过程中SCC层的裂缝扩展情况、接缝张开变形、螺栓应力与内衬钢管环向应变的发展历程。试验结果表明:在无内压工况下,结构整体呈弹性工作状态;在内压变化工况下,当内压低于0.6 MPa时,结构整体保持弹性,三层衬砌共同承担内压;当内压达到0.6 MPa时,SCC层开裂,内压快速向外衬管片转移,结构整体进入弹塑性阶段;随着内压继续增大,管片接缝螺栓在内压为0.965 MPa时屈服,外衬逐渐失去分担内压能力,结构体系进入破坏阶段,内水压力主要由内衬钢管承担。试验研究成果可为实际工程设计提供指导和参考。     

穿越城区隧洞分离式衬砌承载机理及性能优化研究

近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程采用了一种新型分离式衬砌,但其承载机理尚不够明晰。以某水资源配置工程中穿越城区的TBM施工输水隧洞为对象,建立输水隧洞分离式衬砌整体三维有限元数值模型,分析了衬砌的变形、受力和承载比等特征。结果表明：设计内压作用下,钢衬和自密实混凝土径向紧密贴合,排水板铺设范围内两者径向变形明显大于管片,排水板铺设范围外三者径向同步变形,钢衬应力水平低且分布极不均匀,管片应力超过抗裂限值,内水压主要由围岩承担,钢衬承载比例明显低于预期;降低钢衬-自密实混凝土界面、自密实混凝土-管片界面的摩擦系数,均能使钢衬应力分布的均匀性增加,有利于钢衬承载性能的发挥,且对管片抗裂有利;提高排水板厚度与综合模量比值d/E,可以提升钢衬承载比,控制d/E在12.4～45.1 mm³/N范围内,可以满足钢衬容许应力和管片抗裂设计的要求,同时使分离式衬砌钢衬主要承担内水压的设计理念得以实现。     

某新型三层复合盾构输水隧道精细化有限元分析

以一种新型的外衬管片－内衬混凝土－输水钢管三层复合衬砌输水隧道为例,采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立精细化模型结构,研究了在外部水土压力和内部水压力作用下管片、螺栓、内衬混凝土、输水钢管的受力情况。研究表明,正常通水工况下,输水隧道结构满足承载力要求。研究结果可为输水隧道结构的优化设计提供参考依据。     

珠三角水资源配置工程隧洞埋岩深度及间距的影响分析

以珠三角水资源配置工程中的复合衬砌盾构输水隧洞为研究对象,在采用简化计算模型的基础上,利用ABAQUS有限元数值分析软件,分析不同外荷载工况下,不同埋岩深度及隧洞间距下管片衬砌环的应力和变形情况。由管片衬砌环最大径向变形及容许应力确定此时可承受的内水压力大小,并得到内水压力大小随埋岩深度和隧洞间距变化的影响规律,以供工程实践参考。     

盾构施工混凝土管片预制质量控制浅析

南水北调中线穿黄工程洞为全段面输水高压输水隧洞,最大埋深为35 m,承受最大外部水压力为0.45 MPa.设计隧洞衬砌分为内衬和外衬两部分,外部水压力由预制混凝土管片承担,因此外衬管片的施工质量非常重要.管片的施工质量包括两方面工作:一是在管片生产过程中的质量控制,二是在盾构掘进过程中管片的安装质量,其中管片的制作质量是管片质量控制的基础.现主要论述了管片生产过程的质量控制,从管片混凝土配合比设计、混凝土浇筑、管片蒸养、脱模后养护等几个方面阐述了管片生产过程中的质量控制,对国内同类工程施工中管片制作质量控制有一定的借鉴意义.     

北京南水北调配套工程隧洞衬砌结构型式分析

在北京市南水北调配套工程输水隧洞设计中,为了选择适合北京地区工程实际情况的合理衬砌结构型式,做到工程安全、经济合理、工期有保障,通过调研和考察国内外一些典型工程应用实例,总结了盾构输水隧洞衬砌结构常见结构型式的使用条件、特点和施工工期等。通过对多种衬砌型式进行比较,认为外衬采用盾构管片、内衬采用常规钢筋混凝土的结构型式是比较适合在北京市南水北调配套工程输水隧洞中采用的。     

穿黄盾构隧洞新型复合衬砌结构特性研究

为防止穿黄盾构隧洞在运行期洞内高压水从外衬管片接缝和内衬变形缝外渗,从而诱发洞外围土渗透破坏,确保隧洞能安全稳定运行。采用三维有限元分析和1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真物理模型试验的方法,对穿黄隧洞复合衬砌结构的特性进行了试验研究,探讨了结构型式、破坏机理和风险预防措施以及有关工程应用的具体问题;研究了盾构隧洞复合衬砌3种结构形式的7个具体方案。提出了预应力盾构隧洞结构型式,研发了拼装式管片环与预应力结构相结合的新型复合衬砌型式。这种创新结构设计型式在盾构隧洞工程中尚属首例,可为同类工程参考。     

关埠引水工程内水压力作用下隧洞管片受力与接缝变形研究

利用有限元软件建立关埠引水工程隧洞管片三维数值模型，系统分析了管片应力、接缝变形及螺栓应力在不同工况下的变化规律。结果表明：内水压力会显著影响隧洞衬砌管片的力学性能，随着内水压力的增大，管片应力、接缝变形及螺栓应力也随之增大，盾构隧洞衬砌管片最大拉应力为3.263 MPa,最大压应力为6.612 MPa、管片接缝变形最大为0.28 mm, TBM隧洞衬砌管片最大拉应力为0.192 MPa,最大压应力为2.952 MPa、管片接缝变形最大为0.08 mm,连接螺栓的应力变化与接缝变形能相互吻合，接缝变形越大，螺栓应力也越大，最大值为604.01 MPa。研究结果可为输水隧洞衬砌结构的设计与分析提供参考。     

盾构输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构有限元分析

北京市南水北调配套工程东干渠工程输水隧洞施工工法为盾构法,为了提高其抗渗和抗裂特性,并优化内外衬的协同变形,衬砌结构采用了灌浆式混凝土预应力衬砌。研究了隧洞衬砌结构设计参数及工作机理,采用二维有限元计算方法,分析了预应力注浆压力和连接螺栓型号的影响。结果表明:内外衬之间的预应力式注浆可以提高二衬混凝土承受内水压力的能力,预应力注浆压力不宜大于0.3 MPa,否则将影响管片的结构和防水安全;连接螺栓刚度变化对管片和二衬混凝土环向应力的影响很小,结合管片张开对防水、防渗的影响,连接螺栓型号采用M20以上型号均可;随着预应力注浆压力的增加,二衬混凝土受力状态得到明显改善,由全断面受拉构件变成受弯构件,拉应力区明显减小,内外衬协同受力状态得到优化。     

穿黄隧道双衬砌结构平面非线性有限元分析

针对穿黄隧道盾构双衬砌结构特点,采用MARC软件进行考虑接触问题的平面非线性有限元法计算分析.计算中模拟了3重接触:外衬与地基抗力单元之间的接触;外衬管片间的接触;内衬和外衬之间的接触.同时模拟了内、外衬施工过程和荷载施加过程,得出了衬砌结构变形的基本规律和结构细部应力特征,为盾构法隧道的衬砌设计提供参考.     

输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构承载机理研究

输水隧洞双层混凝土衬砌之间采用预应力灌浆可以提高结构的承载能力,但此类灌浆式预应力衬砌结构的承载机理尚未得到系统阐释。基于弹性理论,采用荷载结构法,建立了考虑变形协调关系的灌浆式预应力衬砌力学分析模型。通过对衬砌结构的受力分析,揭示了预应力灌浆提高衬砌结构承载力的机理,推演了衬砌结构环向拉应力判定式,以及环向抗拉强度与灌浆预应力的关系式。利用有限元数值模拟验证了理论方法的合理性,针对工程案例分析了灌浆预应力对衬砌结构的定量影响规律。结果表明：结构能承担的最大内水压力与灌浆预应力及外部水土压力,均近似呈线性正相关,内衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力的增大而减小,外衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而显著增大。这种考虑临界情况的分析和计算方法,揭示了灌浆式预应力衬砌结构的承载机理,可为该类型输水隧洞的力学分析和结构设计提供理论依据。     

双层复合衬砌隧洞运行安全预警监控指标研究

双层复合衬砌结构是一种新型隧洞衬砌结构型式,其外衬承受外部水土压力,内衬承受内水压力,体现了"结构联合、功能独立"的新型输水隧洞设计理念,目前该衬砌型式已成功应用到我国北方某输水工程中,如何确定双层复合衬砌隧洞安全预警监控指标是工程运行管理的重点和难点.本文基于以往研究成果,提出了工程结构监控指标及监控阈值确定的统一技...     

全防水复合衬砌隧洞结构设计

本文介绍了一种有压输水隧洞复合衬砌结构与高密度聚乙烯(HDPE)自粘胶膜防水卷材结合技术,即:采用自粘型防水卷材作为主要防水层,配以混凝土自防水的复合衬砌防水体系。该技术适用于具有防水要求的双层衬砌结构输水隧洞。采用这种双层衬砌防水技术,可以将防水层从以往的径向防渗增强为径向、轴向、环向防渗,解决了输水隧洞因为外衬或内衬局部渗水而导致衬砌间窜水的现象,增加了结构耐久性。这种结构便于运行期间进行检修、排查渗漏点。该技术已成功地在北京市南水北调配套工程东干渠工程中大规模应用。     

穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型应力观测成果分析

穿黄隧洞选用双层复合衬砌结构,外衬为拼装式钢筋混凝土管片结构,内衬为现浇预应力混凝土结构。为了验证和优化设计,完善施工工艺,开展了隧洞衬砌1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真地下模型试验。模型由内外衬不分隔的联合受力和内外衬由弹性防、排水垫层分隔分别独立工作单独受力的两个试验段组成。主要就试验过程中各工况条件下内衬的钢筋和混凝土应力观测成果进行了分析。分析结果表明,两个试验段在设计内水压工况下,各断面环向均实现了全截面受压,均满足设计要求。     

岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法

长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建(构)筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。     

盾构管片钢筋混凝土内衬大型输水隧洞结构研究

在北京市南水北调配套工程团城湖至第九水厂输水工程(一期)输水隧洞工程中,根据盾构管片钢筋混凝土内衬的结构间连接结构形式的不同,对双层衬砌相互作用模型进行了对比分析.根据所确定的结构模型对不同的力学模型进行分析,确定了北京地区土质条件下的盾构管片内衬钢筋混凝土的力学模型.计算表明,结构控制的内力状态确定为盾构管片为大偏心受压构件,内衬钢筋混凝土结构为小偏心受拉构件.     

穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验研究

穿黄隧洞为大型压力输水隧洞,采用盾构法施工。设计要求在盾构施工形成的拼装式管片环内,设置预应力内衬,以组成新型复合衬砌结构。为此,开展穿黄隧洞衬砌1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真模型试验,分两阶段进行。第1阶段为准备性试验,包括对三环内衬进行1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真地面模型试验;第2阶段为地下模型试验研究,模型埋于地下,并人工构造与实际工程相同的埋深和水土条件,而以高位水箱按设计水头对洞内充水加压,进行超载试验。试验取得完全成功,为验证和优化设计提供了试验依据;其模型设计、仿真模拟、试验方法可供相关工程参考。     

复合衬砌联合承担高内水压力的可行性分析

复合衬砌结构形式越来越多地应用于高内水压长距离输水隧洞中。该文结合珠三角水资源配置工程,对几种不同复合衬砌形式进行有限元分析,在联合受力模式下,以盾构管片接缝张开量为控制条件,分析不同复合衬砌结构形式在不同围岩条件下的应力变形特性,确定不同结构方案联合承担高内水压力的可行性,深化对不同复合衬砌联合受力特性的认识,为设计计算提供参考。