超大直径泥水平衡盾构隧道抗浮结构试验研究

超大直径盾构隧道衬砌在同步注浆浆液中上浮是其施工时必须关注的问题,而现行阶段还未对此有合适的计算理论和计算方法。文章以上海长江隧道工程为研究背景,利用1∶1衬砌水平整环错缝结构进行试验,对上浮问题进行研究。研究表明,同步注浆7天后的强度可基本达到周边土体强度。采用衬砌整环试验方式对盾构隧道衬砌抗浮性能进行试验研究,能较好地模拟衬砌结构的受力特征,试验确定了刚度折减系数取值和管片环间螺栓抵抗能力,利用弹性地基梁模型对大直径盾构隧道上浮问题进行计算,并与试验结果进行了对比。研究成果为此类大直径盾构隧道浅覆土段施工和设计提供了依据。     

上软下硬地层中盾构隧道管片上浮机理与控制分析

为了研究盾构隧道管片在上软下硬地层中的上浮机理,通过对施工阶段单环管片的受力情况进行分析,得出了浆液产生的浮力是引起管片上浮的主要诱因的结论。同时,建立了上软下硬地层中盾构隧道管片上浮量计算模型,引入上浮力时变系数,推导出了管片上浮量预测公式,并结合青岛地铁1号线某盾构区间施工实践,验证了其理论解的准确性。最后,提出了有效的抗浮措施,可为盾构隧道内管片上浮的控制提供参考。     

大断面盾构隧道施工抗浮计算研究

基于大断面盾构隧道施工中经常碰到的上浮问题,首先讨论了盾构隧道施工中管片上浮的原因:水、注浆所用浆液、泥水盾构所用泥浆等所产生的浮力,以及建筑间隙的存在、施工过程对上覆土的扰动等,都可能是盾构管片上浮的原因.进而对盾构隧道抗浮问题进行了计算分析,在上覆土荷载及管片自重荷载之和小于管片所受浮力的情况下,重点考虑了邻接管片对上浮管片的约束作用(管片环间的摩阻力以及管片纵向连接螺栓自身的抗剪切能力),以及剩余力对上覆土产生的压缩效应.分析结果表明:隧道上浮问题的产生与否不仅与管片自重、上覆土荷载以及受到的浮力大小有关,也与管片本身特性有关;隧道抗浮控制既可以从改善上覆土性能,增加上覆土厚度入手,也可以从改善管片自身受力性能入手,诸如增加纵向螺栓数量、加大螺栓直径、加大螺栓紧固力、设置剪力键等.     

管片衬砌环上浮问题控制研究

考虑管片结构质量的重要性,对管片衬砌环上浮问题进行了原因总结和机理分析。以衡阳市合江套隧道工程实例为依托,通过现场监控量测,发现引起管片衬砌环上浮的主要因素为建筑空隙、地层环境、盾构姿态、壁后注浆。通过对管片衬砌环上浮机理分析,推导出了上浮量求值公式,进而求得其上浮速度及上浮速率值。在掌握引发管片衬砌环上浮因素和上浮机理的前提下,提出了相应的施工控制对策,以期为今后类似盾构隧道工程施工提供经验借鉴。     

盾构隧道通缝拼装管片上浮的数值模拟分析

盾构隧道在施工阶段拼装管片的上浮问题一直是困扰地铁隧道施工的技术问题.应用有限元数值方法,模拟分析盾构管片结构设置和衬砌背后注浆造成管片结构和周围地层的位移变化特征,探讨盾构隧道上浮的变化规律.模拟结果表明,盾构隧道管片在壁后浆液的浮力作用和土体应力的共同影响下,应力相对集中的区域出现在与X轴夹角约45°的位置,模拟管片的上浮量约38mm,与现场实测结果比较接近.     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明:①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁–弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明：①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁-弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

不同地层盾构隧道管片力学行为研究

盾构隧道施工过程中管片衬砌由于受力复杂,容易发生局部破损的情况。文章依托深圳城市轨道交通5号线区间隧道盾构施工,在现场基于测试方法研究了管片衬砌在施工中的力学行为,对比探讨了隧道下穿软硬不均地层、粘土地层和上覆建筑物的全风化花岗岩层中衬砌所承受的轴力和弯矩。研究结果表明:不同地层中盾构隧道的力学性能有较大差异,但是它们的力学性能变化阶段是一致的。即:当管片刚拼装完成时,在盾壳的保护下,内力较小;管片内力在管片脱出盾尾后达到最大峰值;当管片拼装上一定时期后,管片内力趋于稳定,其内力一般较管片刚脱出盾尾时要小。     

地铁盾构隧道结构设计的优化

介绍管片衬砌内力计算的四种基础理论,结合基础理论分析模型建立的条件,以长沙地铁某盾构隧道为例,计算了管片的内力大小,分析了最不利内力组合,对管片的配筋形式、配筋量进行设计,同时列举了类似工程结构设计状况。在综合考虑环宽、管片连接螺栓设计以及施工组织等因素的情况下,提出技术和经济上有利的管片优化设计方案。还介绍了因施工原因造成的管片边角局部集中受力时,为避免局部破坏,在钢筋布设方面的应对措施。     

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。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较。研究结果表明:盾构掘进过程会引起管片周边土体的扰动,管片壁后注浆及施工期的临时荷载会影响管片周边土压力分布及大小;管片内外侧钢筋应力变化规律与实测土压力变化趋势基本一致,管片实测应力开始趋于稳定时间相比实测土压力较短;梁-弹簧法计算管片内力与实测反算结果更吻合,实测反算轴力是计算轴力的2倍左右。研究成果可为大直径盾构越江隧道管片设计、施工提供参考。     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究

在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响.     

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算方法比较分析

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算是非常复杂的。针对沈阳地铁一号线区间盾构隧道衬砌,分别采用不考虑土壤介质侧向弹性抗力自由变形均质圆环法和考虑土壤介质侧向弹性抗力的修正惯用法进行内力计算。分析比较了衬砌管片结构内力分布规律,探讨了计算方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

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。     

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。