1∶1站立式大断面异形盾构管片力学试验系统的研发与应用

异形盾构管片由于特殊的断面型式,在应用到实际工程前须对其承载能力、力学特征和破坏模式进行研究。提出一种1∶1站立式原型异形盾构管片力学加载方法,构建可重构式的钢结构加载和数据采集平台以及基于PLC闭环控制理论的千斤顶液压控制系统。基于该试验系统,研究自重状态和覆土状态下异形管片结构内力和形变特征,揭示浅埋条件下管片结构自重对异形管片内力和形变的影响规律,获得所研究的异形盾构管片极限埋深为18.5 m,并通过对管片结构内外弧面裂缝分布规律的分析,发现了异形管片明显的弯矩传递现象。     

整环盾构隧道管片原型加载系统的研究综述

地铁运营时因受基坑开挖、周边卸载和地面堆载等因素影响,盾构隧道管片经常出现横向变形较大和管片开裂等问题,造成经济损失的同时还带来很大的安全隐患。为优化管片配筋,常采用整环盾构管片原型加载系统对管片进行加载试验,来研究其结构服役性能。文中对国内外整环盾构管片原型加载系统的研究现状进行阐述,根据管片放置方式,将其分为平躺式和站立式。分析以上系统的加载机理和优缺点,将站立式与平躺式加载系统进行对比,平躺式主要适合深埋且自重效应小的单环或多环管片,站立式主要适合浅埋且自重效应大的单环或多环管片。鉴于这两类加载系统仍存在一定缺陷,因此对此类系统的进一步改善提出了相应建议。     

大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

 针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。     

大型矩形盾构管片拼装机设计

阐述了一种新型矩形盾构管片拼装机,解决了现有矩形盾构中管片拼装机的局限性,实现了大型矩形盾构管片的智能拼装,对异形盾构管片拼装技术的研究有着重要意义。从拼装机的动作和功能需求出发,将其分解成几个关键模块,并对相关结构进行了介绍。     

矩形盾构隧道管片拼装方法的研究

管片拼装是盾构隧道施工中的一项重要工序,但其对于矩形盾构隧道的难度比圆形隧道更大.在研究分析国外矩形盾构隧道管片拼装方法的基础上,讨论了采用悬臂起重机式管片拼装机、采用2台回转式管片拼装机和采用轨道式管片拼装机等不同管片拼装方法的优缺点,为国内矩形盾构隧道管片拼装技术的研究提供参考和指导.     

水压作用对通缝拼装管片结构力学性能的影响研究

以苏通GIL综合管廊工程为背景开展了通缝拼装方式下的原型试验,从水压对管片环的受力、形变及抗裂性方面着手,对通缝拼装条件下水压力对管片结构力学性能影响进行了研究。试验结果表明：①通缝拼装管片结构在拱顶位置出现较大的位移,水压力的增大对管片结构拱顶形变和整体椭圆变形的控制有良好的效果,但管片最大单点位移相比椭圆度更易达到限值;②通缝拼装管片结构建议取单点最大形变率2‰~2.5‰作为形变控制标准;③在高水压作用下通缝拼装管片结构的纵缝张开主要发生在封顶块附近,由于该处纵缝密集、结构刚度最小、变形最大所致,水压力的增大对该处纵缝张开有明显的限制作用,且可减小相应连接螺栓的受力;④水压力的增大会较大幅度地提升管片的抗裂性能,并减小管片主筋的拉应力,但也会使主筋的压应力和箍筋应力有较大幅度的升高;⑤水压力的升高在一定程度上提高了管片结构的受力性能,但高水压使管片结构处于高轴压受力状态,易发生纵缝处的压剪破坏,该破坏具突发性。研究成果对水下盾构隧道的设计具有重要的指导意义。     

水压作用对通缝拼装管片结构力学性能的影响研究

以苏通GIL综合管廊工程为背景开展了通缝拼装方式下的原型试验,从水压对管片环的受力、形变及抗裂性方面着手,对通缝拼装条件下水压力对管片结构力学性能影响进行了研究。试验结果表明:①通缝拼装管片结构在拱顶位置出现较大的位移,水压力的增大对管片结构拱顶形变和整体椭圆变形的控制有良好的效果,但管片最大单点位移相比椭圆度更易达到限值;②通缝拼装管片结构建议取单点最大形变率2‰～2.5‰作为形变控制标准;③在高水压作用下通缝拼装管片结构的纵缝张开主要发生在封顶块附近,由于该处纵缝密集、结构刚度最小、变形最大所致,水压力的增大对该处纵缝张开有明显的限制作用,且可减小相应连接螺栓的受力;④水压力的增大会较大幅度地提升管片的抗裂性能,并减小管片主筋的拉应力,但也会使主筋的压应力和箍筋应力有较大幅度的升高;⑤水压力的升高在一定程度上提高了管片结构的受力性能,但高水压使管片结构处于高轴压受力状态,易发生纵缝处的压剪破坏,该破坏具突发性。研究成果对水下盾构隧道的设计具有重要的指导意义。     

异形盾构隧道衬砌结构计算模型和受力特征研究

首先通过原型整环管片力学试验研究了异形盾构管片环向接头转动刚度随隧道埋深增加的变化规律。基于试验成果建立了异形盾构管片壳-弹簧计算模型,并将原型试验结果与修正惯用法和壳-弹簧模型进行对比,给出了异形盾构管片内力分布模式,明确了修正惯用法作为异形盾构管片设计方法的可靠性,并将壳-弹簧模型推荐为能较为科学地反映异形盾构管片实际受力特征的计算模型。最后,基于壳-弹簧模型从经济和力学两个角度对异形盾构隧道与矩形和圆形隧道进行对比,证明了异形盾构应用于浅覆土地层的科学合理性。     

谈盾构管片拼装机的性能优化

通过对盾构管片拼装机的简要介绍,进行了环式管片拼装机的整体结构分析及参数分析,对管片拼装机进行了优化,以期达到安全、快捷的拼装管片,缩短工期,创造最大效益的目标。     

盾构管片纵向接缝承载力原型加载实验

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。为验证纵向接缝的极限抗弯承载力,采用新型液压加载装置,针对国内地铁区间隧道常用的通缝拼装的管片纵向接缝进行了足尺加载试验。得到接头在压弯工况下的极限弯矩和极限变形,同时总结归纳了接头达到承载力极限状态的破坏现象,为纵向接缝力学性质的研究提供了一些参考。     

盾构管片力学性能试验机加载框架制作及安装

盾构管片力学性能试验机加载框架由上、中、下三层空间桁架结构组成。该反力架结构可以满足三环试验、两环试验和单环试验,其结构的主要支撑体系是由沿加载框架内环均匀布置24支、外环12支钢柱组成的。各加载框架分别由平面环形桁架和竖向角点柱组成。论文介绍了盾构管片力学性能试验机加载框架制作及安装工程的施工特点、质量控制和安全措施,针对其特殊性能有针对性地制定质量控制方案和专项安全保证措施。分析在实际施工过程中影响结构受力和变形的各种因素及采取的技术控制措施。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

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。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

超大直径盾构法隧道施工期衬砌结构安全性

以上海长江隧桥工程中的超大直径盾构为背景,以盾构法隧道施工中管片拼装变形、注浆产生的附加应力以及隧道上浮等施工工况的受力条件为研究对象,通过1∶1衬砌水平整环错缝结构加载试验,取得结构试验数据。通过三维数值模拟分析,确立施工期隧道衬砌结构的计算模型、计算参数和计算方法,验算施工期隧道结构的安全性,并提出隧道施工质量控制技术措施和管片构造要求。     

基于足尺试验的管片纵缝接头刚度分析

为了研究上海地铁通缝拼装盾构隧道的结构承载力学特性,进行了通缝隧道结构荷载足尺试验,试验通过24个加载点施加水平集中荷载来模拟盾构隧道周围土体的分布荷载。通过反演分析结果及足尺试验观测结果,对管片纵缝接头刚度与结构变形的总体趋势进行了分析。试验结果表明,管片的纵缝接头抗弯刚度随着结构变形的增加而呈现出减小趋势,主要与管片接头受压区混凝土受压面积减小有关,其次还与受压区混凝土破坏和螺栓发生塑性变形有关。基于纵缝接头刚度的衰减特性,运营期盾构隧道安全评估时管片环的刚度有效率提出结合盾构隧道结构的变形状态进行合理取值。     

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。     

通缝盾构隧道衬砌施工期三维力学特性数值研究

建立软土条件下通缝拼装盾构隧道衬砌三维有限元模型,实现对施工期衬砌结构所受外力作用的模拟,包括盾构千斤顶推力、注浆压力、土层应力等,并分析它们对衬砌结构力学性能的影响。其中,千斤顶推力过大和不均匀加载对管片的纵向变形影响较大,不均匀加载还会导致管片错台,而千斤顶推力偏离轴线则会导致管片接缝张开。注浆压力出现异常极大值,管片变形则会非常大。土层对管片变形直接影响较小,管片变形主要为竖向位移。     

盾构管片拼装施工技术

在目前我国城市隧道建设中,盾构法应用广泛,管片拼装作为其重要工序之一,施工质量直接关系到隧道成型效果,加强相关研究具有重要意义.首先对盾构管片拼装技术进行分析,详细探讨盾构管片拼装机工作原理及管片拼装方法,并围绕珠机二期三灶隧道盾构区间具体分析盾构管片拼装施工技术与质量控制要点.     

钱江隧道管片拼装过程中的力学行为实测分析

钱江隧道是目前世界上最大直径的软土盾构法隧道工程之一。通过在典型地层深埋段埋设全断面的隧道试验环,对盾构拼装管片的全过程及拼装后管片结构的受力特征进行了现场实测。监测结果表明,管片结构内力在拼装过程中受到管片相对位置及相互接触关系的变化影响,经历了波动、微调整直至平衡状态的变化过程。多数管片在拼装阶段的实测内力小于正常使用阶段管片理论内力的30%,但高于拼装阶段管片内力的理论值,最高可达到拼装阶段理论值的10倍以上。管片拼装过程中的内力实测值经历了波动或跳跃后逐渐逼近拼装阶段的理论值。值得注意的是,实测值的变化曲线表明:个别管片局部内力出现突变,实测突变值达到正常使用阶段理论值的3倍以上。因此,尽管管片之间通过管片间接触条件及相对位置的调整使管片结构的内力较快调整至正常状态,但该过程中出现管片内力局部过大的情形对管片结构的耐久性和长期承载性能可能造成影响,在今后的设计和施工控制中应予以充分考虑。