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。     

上海崇明越江隧道衬砌整环试验加载方法研究

上海崇明越江通道工程是上海市乃至国家重大基础设施建设工程之一,为了验证衬砌管片的承载能力和稳定性,故进行衬砌水平整环试验。本文详细介绍了衬砌整环试验的加载方法、相应加载设备的设计,并同以往衬砌试验的加载方法进行对比,为今后相关试验提供重要的参考依据。     

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。     

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。     

使用图像分析研究隧道衬砌管片的位移变化

以复合材料加固前后的盾构隧道管片为对象,进行了盾构隧道管片在侧向荷载作用下变形能力和极限承载力的整环加载试验,使用图像处理技术对加固前后衬砌圆环管片接缝两侧的位移变化进行了研究。根据加载过程中不同时刻的试验图像,使用粒子图像测速技术得到了不同时刻、不同位置接缝两侧混凝土管片的位移变化情况。结果表明:未加固阶段管片顶部接缝处管片表面位移相对较小,两侧位移变化不相等,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时最大位移发生在封顶块位置;整环加固后,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时裂缝开始扩展;加固前后位移变化幅度大小次序依次是封顶块、标准块、邻接块和底块,破坏最先发生位置是封顶块和邻接块的连接位置;使用复合材料加固后,各处接缝两侧管片位移变化幅度及整体位移变化量均小于加固前,管片承载力增加,强度明显提高。本文结果对研究隧道衬砌破坏机理有一定的参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

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。     

Simplified nonlinear simulation of shield tunnel lining reinforced by epoxy bonded steel plates

A high-efficiency simplified modeling approach based on fiber-beam elements and discrete elements is proposed for investigating the nonlinear response of shield tunnel reinforced concrete linings. The proposed approach focus on following main features: modeling simplicity and computational efficiency, the considerations of critical material and geometric nonlinearity associated with the entire loading process, including the stage of reinforcing the deformed concrete lining by steel plates. Comparison between the analysis results of the proposed numerical model and the experimental results from the full-scale structural test are presented to validate the developed model. The results show that the proposed model can capture the essential characteristics of the nonlinear load–deformation response of segmental tunnel lining. The modeling approach presents a balance between simplicity and accuracy, and serves as a viable alternative to detailed finite elements analysis.     

盾构隧道双层衬砌效果的离心模型试验研究

目前,国内部分盾构隧道采用内部构筑双层衬砌的设计施工方法。增加内衬是提高隧道纵向刚度的一种较好的选择。但内衬的增加会导致隧道自重的增加,对软土地层中隧道的长期沉降产生一定影响。为研究双层衬砌与单层衬砌的区别,本文结合上海某大直径越江隧道工程实例进行了离心模型试验,得出了两种衬砌结构的长期变形特性,评价了双层衬砌的功能,为合理地应用双层衬砌提供参考。     

盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析

不同的地质条件、施工方法、隧道埋深以及衬砌刚度等条件的差异,会不同程度地影响隧道衬砌上荷载的分布。结合上海软土盾构法隧道设计和施工的具体情况,分析影响软土隧道衬砌荷载的影响因素,可为地铁隧道的设计和施工提供参考。     

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。     

壳-矩阵-弹簧模型衬砌结构受力性能研究

提出了壳-矩阵-弹簧系统模型,模型以平板壳单元模拟衬砌管片,以矩阵单元模拟衬砌拼装的螺栓,以土弹簧单元模拟衬砌与地层之间的相互作用。采用该模型对衬砌管片错缝拼装下的受力状态进行了分析,解决了采用传统的梁-弹簧模型平面应力-应变方法无法准确把握研究区域应力和变形的问题,可真实地反映衬砌管片结构的力学性态。采用壳-矩阵-弹簧模型分析了影响衬砌管片结构受力性能的不同因素,得出了一些有益的结论,以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

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。