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。     

T BM 开挖隧洞管片衬砌结构 三维有限元分析及配筋计算

研究在高内水压力下,TBM开挖隧洞中管片衬砌能否承担内水压力作用且结构强度满足设计要求的问题,主要针对管片衬砌结构接缝对衬砌整体应力的影响。以某水电站长距离引水隧洞为例,采用有限元法建立三维模型,计算发现在内水压力作用下,管片分块衬砌受力规律不同于常规现浇混凝土衬砌,管片之间螺栓连接受力集中,接缝处产生了应力释放,使得管片其他部位应力降低,而且配筋量较同水头下整体现浇混凝土配筋量大大减少。     

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。     

盾构高压输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构研究

目前高内水压力的输水盾构隧洞基本是采用分离式双层衬砌结构,是当前最安全的结构模式,但不一定是最合理的。该文提出了一套盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构,该种衬砌结构为:盾构管片外衬、钢管内衬、内外衬间不全部填充自密实混凝土及软垫层设置于内衬钢管外表面。基于新型半埋式钢管复合衬砌结构,利用ABAQUS有限元分析软件,分析了不同自密实混凝土填充程度,不同软垫位置等条件下,钢管内衬应力,填充自密实混凝土应力及外衬盾构管片的变形。根据计算结果,新型半埋式钢管复合衬砌结构,可以有效控制盾构外衬的变形及自密实混凝土的应力。同时,半埋式钢管复合衬砌受力明确,且有利于隧洞排水,可为高压输水隧洞结构设计提供参考。     

穿黄隧洞预应力双层复合衬砌结构受力特性研究

结合穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验,采用三维非线性有限元方法进行计算分析,跟踪对比试验中无垫层衬砌段（联合承载）、有垫层衬砌段（独立承载）2 种结构的试验监测数据,研究这种新型双层复合衬砌结构的受力特性。计算采用考虑接触的非线性有限元方法,模拟仿真模型试验中管片拼装、分层填土、内衬预应力张拉 , 以及内水压力施加（充水）的实际过程,研究管片之间以及内外衬之间的缝隙状态和传力机理。研究结果显示：即使内、外衬处于完全张开状态,无垫层模型的预应力荷载也可以通过插筋传递到外衬,表明插筋是实现内外衬砌联合承载的重要结构措施;有垫层模型内外衬砌具有独立承载特性。计算与试验成果对比显示,无论是结构变形、缝隙开度还是衬砌应力,两者规律一致、数值接近,其研究成果可供类似工程参考借鉴。     

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。     

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。     

内水压力作用下水工隧洞管片衬砌结构数值模拟分析

隧道衬砌管片结构直接影响隧道整体安全。本文以某输水水工隧洞为研究对象,利用有限元软件建立三维模型,计算管片变形与应力、接缝变形和螺栓应力,系统分析了内水压力作用下水工隧洞管片衬砌结构受力变形规律。研究表明,管片衬砌结构在内水压力作用下主要呈现向外的变形趋势,环向应力主要以环形拉应力为主;水头高度对不同位置接缝的裂缝宽度影响较小,裂缝平均宽度与水头高度的增长呈现线性关系;同一接缝的外侧开度较大,内侧开度较小,但同一接缝的裂缝开度差值接近;螺栓对于裂缝开度具有一定的限制作用,对于不同接缝和同一接缝不同开度,接缝宽度越大,当螺栓固定程度相同的情况下,螺栓对于裂缝的限制作用越大。     

无粘结环锚预应力混凝土衬砌应力状态分析

无粘结环锚预应力混凝土衬砌是有压水工隧洞采用的一种新型衬砌型式,由于衬砌结构组成体系复杂,导致其内部应力状态分布极为复杂,且在不同工况下受力会发生显著变化。为了解该结构在施工期和运行期的受力状态,并及时掌握衬砌安全状况,对小浪底排沙洞环锚预应力衬砌张拉期和运行期的应力状态进行了研究。采用等效荷载法和实体建模法相结合的方法建立数值模型,通过对应力状态计算和应力状态现场实测值进行对比,明确了不同工况下预应力衬砌受力状态。研究结果表明,小浪底排沙洞环锚衬砌在张拉期和运行期预应力状态都处于安全范围。研究结果对无粘结环锚预应力混凝土衬砌的设计、施工具有重要参考意义。     

穿黄隧道内外衬联合受力结构模型试验研究

通过1∶5的整环衬砌结构仿真模型试验,在运行期各种工况下,对内外衬结构的受力机理、结构变形、应力以及接头刚度进行了研究和分析.结果表明:双层衬砌在设计内水压力作用下,径向变形和环向接缝变形数值都很小,结构工作性能良好;外衬管片之间的几何尺寸配合的好坏不仅对施工期外衬管道的结构受力状态有较大影响,而且对内外衬在内水压力作用下的应力状态也有一定影响;内外衬荷载的承担比例有较大差别.就极限承载能力而言,在超内水压力情况下,双层衬砌结构有较大的安全余度.     

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。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术及其有限元分析

本文提出了一新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术,即:在厚壁圆筒承受内外水压力时,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备——用薄钢板制成的中空圆环形压力囊,并根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是不仅省去了预应力钢筋,而且施工简便、经济合理。还利用三维有限元法,分析了在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时衬砌混凝土中应力的变化。计算结果表明,该技术是可行的,效果十分明显,可应用于实际工程。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究

本文提出了一种新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术。该项技术根据厚壁圆筒承受内外水压力理论,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备,根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是省去了预应力钢筋,且施工简便。模拟试验证明,利用水或水泥浆施加预应力法是可行的。有限元计算结果表明,在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时,衬砌混凝土中的应力能够满足工程需要。     

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.     

龙滩水电站左岸进水口钢衬接触灌浆施工

由于引水管道内的水流状态较复杂，进水口钢衬在水电站的运行过程中将承受巨大的动水压力，如果钢衬与周边混凝土不能共同传递水压，钢衬很容易失稳破坏，进而影响电站的安全稳定运行。为有效充填钢衬外壁与混凝土之间的缝隙，使钢衬结构能更好地与混凝土和围岩共同工作，通常采用接触灌浆方法进行。主要介绍龙滩水电站左岸大坝进水口钢衬接触灌浆的施工方案及工艺，对灌溉效果进行了评价。     

水工压力隧洞结构设计若干关键问题刍析

据水工压力隧洞结构与荷载特点,讨论了水工压力隧洞最小覆盖厚度、主应力大小顺序、外水荷载、钢筋混凝土衬砌轴向裂缝与限裂设计、衬砌伸缩缝间距设计与环向裂缝开展等涉及水工压力隧洞结构设计诸多复杂问题,探讨了解决上述疑难问题的计算模型与计算方法,强调为保证水工压力隧洞衬砌与围岩联合承载,应重视水工隧洞回填灌浆与高压隧洞固结灌浆.     

基于渗流场与应力场耦合的高压隧洞设计

将内水压力以体力的形式作用于隧洞衬砌和围岩,建立了高压隧洞内水外渗渗流场与应力场的耦合数值分析的计算模型。该计算方法较好的反映了水工高压隧洞的内水外渗后实际受力变形情况。将其应用于惠州抽水蓄能电站高压隧洞不同方案的对比计算研究,得出了一系列有意义的结论。     

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。