盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

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。     

盾构在矿山法隧道中推进监测分析

以某地铁盾构在先期施工的矿山法隧道中推进为背景,对盾构空推施工时管片的受力变化过程进行了详细的监测和分析,对盾构施工过程中管片受到周围土体的压力变化和管片钢筋内力变化规律进行了总结,管片受到的土压力随时间变化分为两个明显阶段,土压力沿环向分布极不均匀,整体土压力值不高;壁后压浆后,隧道底部管片的钢筋轴力不断增大,但隧道顶部管片钢筋轴力变化不明显。     

水下盾构隧道施工全过程衬砌受力现场监测试验研究

为反映水下盾构隧道施工全过程所受荷载及变化规律,依托长沙轨道交通4号线阜埠河路站—湘江路站区间江底隧道工程,以现场监测数据为基础,探讨了盾构隧道各施工步骤对衬砌围岩压力和钢筋应力的影响。结果表明:管片养护阶段混凝土收缩会使管片产生很大的初始压应力;同步注浆使隧道结构处于偏压状态;湘江水位波动对衬砌轴力有一定影响。     

热力盾构隧道先盾后井施工对环缝及管片受力影响的研究

在盾构隧道施工中先盾后井施工是一种高效经济的施工工法。本文以我国首条热力盾构隧道工程为背景,结合现场的监测数据,获得不同施工阶段下与竖井连接范围内的管片轴向应力和环缝的张开量变化规律,然后基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁的理论,对先盾后井过程中的盾构隧道衬砌受力的特征进行了分析,最后结合三维数值模拟方法,分析了不同隧道埋深、地层特性及注浆加固范围对竖井周边盾构管片的轴向应力及环缝张开量的影响。研究表明,在热力隧道的先盾后井工法施工中,竖井开挖产生的临近隧道附加应力及管片拆除产生的残余顶力消失是引起隧道轴向应力损失及环缝张开的主要原因。竖井施工中,由附加应力产生的负弯矩作用于隧道上,导致隧道底部轴向应力减小、环缝张开,拆除竖井内管片时,作用于端头管片的盾构残余顶力和螺栓预紧力消失,导致管片轴向应力的进一步减小及环缝张开,且对顶部管片影响更大;随着隧道埋深的增加,顶部管片轴向应力损失及张开量逐渐增大,而底部逐渐减小;不同地层对隧道顶部管片轴向应力损失及环缝张开影响很小,但对底部管片影响较大;在端头管片一定范围内进行注浆加固能有效减少轴向应力损失及环缝张开,建议加固区在4环左右,过长的注浆加固区,对管片的控制效果有限。     

盾构隧道管片接头三维有限元分析

钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元,其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环有削弱作用,使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分析,得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现,正弯矩作用下的接头强度取决于接头的局部强度;接头极大降低了管片环的整体承载能力;螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管片接头强度。     

湛江湾跨海盾构隧道管片现场监测试验研究

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,施工及运营期间承受海底60 m的水头压力。结合现场环境条件进行跟踪测试,成功监测到管片外部的水压力、土压力、管片内部钢筋应力和管片间接触应力,对隧道盾构施工松动区的范围、管片混凝土的结构应力进行计算分析,为及时了解工程结构的安全状态、指导安全施工提供实测参数;自创一种盾构隧道管片外部渗压计的安装方法并取得成功,在其他传感器的安装方法上也有所创新;监测成果显示,海底土层盾构工程中,结构外荷载主要以水压力为主,即使在渗透系数小的黏土层中,其外部荷载仍表现以水压力为主的特征。监测方法和成果可为今后沿海软土地区盾构隧道的监测、设计和施工提供重要参考。     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

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。     

相邻线路盾构施工对既有隧道的影响

 在刚度迁移原理的基础上,提出求解各施工步影响的沉降差值法,由单步增量求得相邻线路盾构施工对既有隧道影响全量。对某市地铁隧道的后施工线路盾构推进过程进行仿真计算,发现后施工隧道所产生之塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上方这一受力机制,得到单施工步引起的既有线路管片最大环向拉应力值为0.13 MPa,最大累积附加拉应力为0.857 MPa;结合对考虑拼接缝的既有隧道管片受力状态的分析,找到裂缝隔片产生在连接块上的重要内在原因。研究成果丰富了模拟相邻巷道施工影响的仿真计算方法,并对城市地铁隧道等类似工程在设计和施工中预防裂缝出现具有一定的指导意义。