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。     

盾构衬砌整环破坏机理研究

以某盾构衬砌整环原型试验作为研究对象,利用提出的接头和管片破坏指数对盾构衬砌环的破坏机理进行了研究,研究表明：①接头破坏指数和管片破坏指数以及开裂弯矩等指标可以对盾构衬砌的实际受力状态进行追踪,可以阐述、解释盾构衬砌环的破坏机理；②对于本文所依据的盾构原型试验而言,盾构衬砌环破坏历程是由接头开始开裂、管片开始开裂、首个管片塑性铰形成、接头开始屈服（接头开始丧失承载力）、多个管片塑性铰形成、整环承载力丧失等阶段构成；③多个塑性铰的形成是导致盾构环承载力丧失的直接原因,塑性铰开始位置、发展顺序取决于关键截面及其排序情况。     

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。     

盾构隧洞双层衬砌接头相互作用模型

简要介绍了双层衬砌接头荷载试验原理及结果。在此基础上，根据双层衬砌接合面结构处理方式的不同，提出了双层衬砌相互作用的三种模型：讨论了内衬混凝土受拉开裂后内衬刚度降低的模拟方法，并用试验结果对模型的合理性进行了验证，研究表明：用弹性铰单元来模拟混凝土开裂后构件刚度的降低是合理的，考虑混凝土开裂后内衬刚度降低的计算结果与试验结果更吻合。     

深埋排水盾构隧道钢纤维混凝土高刚性接头受力特性试验研究

为解决深埋排水盾构隧道管片衬砌的受力和变形问题,需在管片结构中采用高刚性接头。高刚性接头构造复杂,在施工及承载过程中容易出现接头位置混凝土开裂及手孔局部破坏现象,进而影响接头的承载与防腐性能。对钢纤维混凝土(SFRC)和钢筋混凝土(RC)高刚性管片接头开展正弯矩试验,研究钢纤维对深埋排水盾构隧道高刚性接头受力性能的影响。研究结果表明：在高刚性接头中掺入适量钢纤维可有效提高接头的承载及抗裂能力。SFRC高刚性接头和RC高刚性接头的混凝土开裂荷载相同,但SFRC高刚性接头达到正常使用极限状态时的荷载抗力为RC高刚性接头的1.2倍。与RC高刚性接头相比,SFRC高刚性接头的承载力提高约15%;且接头破坏后,SFRC高刚性接头受压区与手孔附近混凝土裂缝的数量、宽度及分布范围相较于RC高刚性接头明显减小。     

地铁盾构衬砌管片加载裂缝的分析

盾构衬砌管片在拼装和使用中出现很多裂缝问题,通过衬砌管片的加载考察分析影响衬砌管片裂缝开展的因素,为管片结构优化设计提供技术支持。分别采用普通盾构衬砌管片(纵筋采用直径18mm的HRB335钢)和加重盾构衬砌管片(纵筋采用直径22mm的HRB335钢)两种管片的加载裂缝对比情况来分析影响衬砌管片裂缝的因素。试验结果表明,初始裂缝主要受混凝土的影响,钢筋作用不明显。加载力越大,裂缝开展深度越大。破坏时加重管片的混凝土破坏更为严重。裂缝开展严重地方在中心螺栓孔附近,此段主要承受弯矩,两旁螺栓至接头处基本不开裂,此段主要受轴向力的作用。外侧保护层破坏时钢筋屈服,衬砌管片承载力急剧下降。衬砌管片开裂主要在管片环的上部,应该重点加强承受上部土压力的管片强度,初始裂缝与混凝土有密切关系,应该重点加强上部混凝土的强度或在两侧螺栓孔中间添加钢纤维以加强。     

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。     

基于塑性损伤的盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触模型研究

 在分析基于梁-弹在分析基于梁–弹簧模式和壳–弹簧模式盾构隧道双层衬砌数值模型的基础上,分别建立依据接合面接触状态不同划分的盾构隧道双层衬砌三维实体复合结构和叠合结构计算模型。该模型通过混凝土塑性损伤模型表征混凝土的非线性特性,考虑管片内置钢筋对结构力学性能的影响,采用已有模型模拟钢筋屈服、硬化和软化现象,建立三维螺栓实体代替弹簧单元模拟管片接头,真实反映盾构管片之间、管片与连接螺栓及管片与二次衬砌接合面的接触情况。以广深港狮子洋隧道双层衬砌为工程实例,建立2种计算模型进行研究,通过与依托同样工程背景下的相似模型试验管片和二次衬砌内力和位移结果进行对比分析,两者具有较好的一致性,验证了该模型模拟盾构隧道双层衬砌结构力学行为的准确性和适用性。研究结果表明：(1) 双层衬砌在受力过程中管片与二次衬砌在局部存在非协调变形,接合面发生分离现象,出现零压区。(2) 由于封顶块构造的原因,封顶块对应位置二次衬砌易出现应力集中现象,该位置轴力和弯矩变化不均匀,管片与二次衬砌接合面接触压应力较其他位置偏大。研究成果对盾构隧道双层衬砌的设计分析具有一定的参考价值。     

盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。     

一种新的盾构隧道双层衬砌解析分析方法

基于欧拉曲梁理论,提出一种新的盾构隧道双层衬砌结构解析分析方法。该方法用考虑层间滑移的双层曲梁模型模拟双层衬砌结构,并引入接头弹簧考虑外层管片衬砌的接头效应,然后利用状态空间法求得任意地层荷载和接头分布形式下结构的内力和变形。通过与已有解析解和数值模型的结果对比,验证所提出方法的正确性。利用该方法探讨不同的接头分布形式对双层衬砌结构内力和变形的影响,并研究不同接头刚度条件下,双层衬砌变形和内力随层间剪切刚度的变化规律。分析结果表明:(1)增大层间剪切刚度可以增强双层衬砌结构的整体刚度,并引起轴力增大和弯矩减小;(2)接头弯曲刚度的变化对结构弯矩和变形的影响很大,而对轴向压力的影响较小;(3)当接头拉压刚度过小时,层间剪切刚度大的双层衬砌结构会呈现较大的内缩趋势而出现有别于"横鸭蛋"型的变形模式。该研究成果可以为盾构隧道双层衬砌结构的设计提供参考。     

衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究

衬砌背后空洞的存在严重影响了围岩与衬砌之间的相互作用,极易引起衬砌结构破损并直接影响到运营安全。通过模型试验,系统研究了拱顶与拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构裂损演化过程及衬砌结构轴力和弯矩的变化规律。模型试验结果表明:(1)衬砌背后双空洞的存在,严重影响隧道结构的受力状态,易导致衬砌结构承载力不足;(2)拱顶与右拱肩背后存在双空洞条件下衬砌裂缝出现的顺序为:仰拱内表面裂缝→空洞间衬砌内表面裂缝→拱肩空洞右侧衬砌外表面裂缝→拱顶空洞左侧衬砌内表面裂缝→左拱脚衬砌外表面裂缝→右拱腰衬砌外表面裂缝;(3)空洞尺寸变化显著改变了衬砌内力分布,空洞尺寸的增加,引起两空洞间衬砌结构轴力减小而弯矩增大,使两空洞间的衬砌结构破坏程度更严重;(4)衬砌背后空洞的位置及数量对隧道结构裂损过程有较大影响,衬砌背后存在双空洞时衬砌裂缝的传播过程更复杂。研究成果可为衬砌背后多空洞影响下衬砌裂缝病害的防治和修复提供参考。     

气体悬浮焙烧炉内衬损坏的原因及改进措施

介绍山西铝厂焙烧炉的使用情况 ,阐述了焙烧炉内衬损坏的原因 ,提出了焙烧炉的改进措施 ,指出经过改进后的焙烧炉的拐角内衬寿命和筒体的使用寿命基本相同 ,具有明显的效果     

分岔隧道大拱段衬砌结构受力分析

大拱隧道受结构和跨度的影响,其初期支护与二次衬砌各自承受不同的围岩压力。给出了大拱隧道的荷载计算方法,并以某高速公路隧道为例,按荷载结构法分析计算了衬砌内力。计算分析表明,初次衬砌所受荷载比二次衬砌大得多,所以初次衬砌是主要承载结构。分析方法对类似隧道衬砌设计具有参考意义。     

隧道复合式衬砌荷载结构法计算方法的探讨

探讨了将隧道复合式衬砌的两层衬砌结构作为整体考虑,采用荷载结构法计算内力的方法,对采用整体计算和初期支护、二次衬砌按比例分担荷载的计算结果进行了比较,得出了有指导意义的结论。     

土层弹性抗力盾构衬砌内力计算分析

以沈阳地铁一号线区间盾构隧道为研究对象,采用考虑地层弹性抗力的修正惯用法和布伽耶娃法对衬砌管片环进行内力计算。探讨了不同计算方法对盾构隧道衬砌弯矩、轴力、剪力的大小和分布规律的影响,得出的结论可为盾构隧道衬砌的设计提供参考。     

双圆盾构隧道衬砌不同内力计算模型对比分析

盾构隧道衬砌结构的内力大小及分布规律对衬砌管片的设计和施工控制具有重要的意义,尽管单圆盾构的内力计算模型已经比较成熟,但对于双圆盾构的内力计算仍有待进一步研究.文章拟对目前国内所采用的双圆盾构内力计算模型进行综合分析,并与所建议的双圆盾构梁-弹簧法比较分析表明:在相同边界条件下,双圆盾构衬砌结构的内力解析解获得的轴力和弯矩值一般偏大,数值解最小,而实测值介于二者之间,但不同方法计算结果所表现的分布规律基本一致,证明作者所提出的双圆盾构梁-弹簧模型可为双圆盾构衬砌结构的设计和施工提供参考依据.     

复杂地层条件下管片设计与计算方法研究

隧道衬砌结构设计模型随着国际技术合作和交流的增加而趋于一致 ,但各国对衬砌结构计算理论的研究从来没有停止过 ,提出了越来越多的计算模型。针对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接触面并结合盾构施工的特点 ,利用应力释放系数的概念 ,建立了模拟盾构隧道衬砌施工全过程的有限元分析方法 ,进行了有限元模拟分析。对隧道衬砌的优化设计提供参考。     

重庆市轻轨小什字车站地基洞室稳定性分析

通过三维有限元数值模拟 ,分析了重庆市轻轨小什字车站高层建筑地基下大跨度浅埋洞室K0+ 6 87～K0 + 771段开挖落底前后围岩的应力、位移状态 ,得出了洞室衬砌结构内力的最不利组合和洞室的整体稳定性结论 ,以供设计和施工参考。     

浅埋并行隧道间距对管片内力影响的分析

浅埋并行近距离隧道的设计施工是盾构隧道研究中的难点。针对间距对管片内力影响的问题,建立了包括地层、等代层、衬砌的有限元计算模型,并通过工程算例验证了该模型的合理性。然后计算隧道间距、埋深、土体参数等因素对隧道周围土体应力、管片内力的影响。根据土体应力结果可知,净距的减小使两隧道的卸载区相互接近或重叠,使两隧道之间土体承受较大荷载,发生屈服,从而使管片内力增大。根据管片内力结果得到了不同情况下管片最大内力提高率,得知埋深和土体黏聚力对提高率的影响较弱,土体内摩擦角的影响较为显著,并给出了各种情况下管片内力设计值提高率的取值大小。最后综合分析结果,针对浅埋并行超近距离隧道问题,给出了设计施工建议。     

盾构隧道衬砌内力计算模型比较

结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例,详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的2种内力计算模型:匀质圆环模型和梁-弹簧模型,比较了这两种模型的计算结果,并从中得出了一些有价值的结论。