接头抗弯刚度非线性及渗水影响下盾构隧道力学行为分析

盾构隧道在运营过程中会出现局部渗漏水,对结构的长期安全性有较大影响。目前渗漏水研究中,难以对局部渗漏及盾构隧道的力学特性同时进行准确的模拟。针对该现状,提出一种组合模拟方法,即渗流计算时,管片结构采用均质圆环模型,在局部接头处设置相应的渗流路径;而在力学计算时,关闭渗流场,将管片结构的均质圆环模型替换为考虑接头抗弯刚度非线性的壳–弹簧–接触–地层模型,迭代计算达到平衡。采用该方法对不同渗流量及渗漏位置情况下,隧道周围孔隙水压力分布规律及结构的力学行为进行了对比分析。分析结果表明:渗漏量越大,孔隙水压力降低越明显,结构内力变化越显著,且拱腰附近接头渗水对结构内力的影响程度大于拱顶与拱底附近接头渗水;各接头渗水时,影响区域的划分表现出一致性,即以渗水接头为中心,两侧各36°的区域为严重影响区域;与严重影响区域相连,两侧各48°,60°区域为一般影响区域,剩余区域为微弱影响区域。复合地层情况下,与静水压力工况相比,上半部分渗水导致结构上侧正弯区域增加,下半部分渗水导致结构下侧正弯区域增加,且轴力沿全环分布不均,渗漏侧轴力平均值小于非渗漏侧轴力,对管片结构受力不利。     

盾构埋深对软土土拱效应影响分析

软土盾构深埋隧道竖向荷载的选取直接关系到工程的经济性与安全性。在软土地层的盾构隧道设计是否需要考虑土拱效应,关系到盾构设计的荷载取值。从应力场变化和不均匀变形的角度,分析土压力拱的作用机理,得到管-土刚度埋深对"土拱效应"的影响。软土中盾构隧道埋深越大,拱效应发挥越充分,但土拱效应比例值与埋深并非线性关系。盾构在软土2倍直径埋深及以下深部地层中开挖,土拱效应开始发挥作用。当埋深达4D时,拱效应发挥至23%。埋深范围与软土拱效应比例的对应,对软土隧道竖向荷载的取值有一定指导意义,可为后期软土不同埋深的盾构设计提供依据。     

基于实测内力的大直径水下盾构隧道荷载反演分析

作用在管片结构上的水土压力是管片设计的关键,但目前盾构隧道管片衬砌结构的荷载确定尚未有一个统一的方法,开展现场测试获取管片衬砌结构的水土压力是一个有效的解决途径,但受工法特性影响,所得测试数据通常具有一定的误差。依托武汉地铁8号线越江隧道工程,基于较为准确的结构内力实测值,针对岸边深埋段和水下浅埋段两种典型地层条件,对管片所受竖向水土压力和侧向压力系数进行双参数荷载反演分析。研究结果表明：隧道位于岸边深埋段、洞身穿越均一地层时选取竖向水、土压力作为反演参数,而隧道位于水下浅埋段,洞身穿越多种地层时选取竖向水压力和侧向压力系数作为反演参数是合理的。针对越江隧道岸边深埋段的地层特性,拱顶竖向土压力取等效于拱顶以上2倍洞径范围内土柱所产生的压力,水压力需根据地层渗透性予以折减,折减系数一般在070～085;对于水下浅埋段,竖向土压力可按照全土柱法计算,水压力取上部全部水压,侧压力系数反演值较隧道所处地层地勘值偏大。     

长期渗漏水条件下海陆相浅埋盾构隧道隧顶水土荷载计算

盾构隧道长期渗漏水严重影响着管片外侧水土荷载作用。通过理论分析获得隧顶上覆竖向平均渗透梯度表达式和考虑大主应力拱效应的侧向土压力系数计算公式,进一步构建考虑长期渗漏水效应的隧顶水土荷载计算模型,依托横琴隧道下穿马骝洲水道段两个典型断面的地质条件和水土荷载实测结果,对不同计算工况下的理论分析结果和现场实测值进行对比分析。得出以下主要结论:提出模型能够对海相段和陆相段的盾构隧道隧顶水土压力进行合理有效评价,相比Dimitrios Kolymbas有效应力法和Terzaghi总应力法,本文方法误差最小;随着土体内摩擦角增加,侧向土压力系数呈现先略减小后增大的变化规律,表明达到一定条件时土拱效应对侧向土压力系数才能起主导作用影响;隧顶水土荷载与隧道埋深直径比呈现增加速率逐渐衰减的正相关关系,与土体重度和管片外侧水头呈现线性正相关关系,与单宽渗漏水量呈现线性负相关关系。相关研究成果能够为我国水下盾构隧道合理设计提供理论依据。     

考虑盾构隧道渗水的富水软弱#br# 地层地表长期沉降计算研究

富水软弱地层中盾构隧道渗水的情况时有发生,对盾构施工引起超孔隙水压力的消散造成影响。在地表长期沉降的计算中,隧道渗水的工况是不容忽视的。对此,以富水软弱地层盾构隧道渗水为背景,将超孔隙水压力的消散视为地下水向低水头位置和向隧道渗流共同作用的结果,在前人研究的基础上推导了长期沉降计算式。针对3个实际工程,采用提出的计算方法与不考虑隧道渗水的方法、实测结果进行对比,结果表明：对于黏土占比较高的地层,不考虑隧道渗水的方法计算结果偏小,与实测值存在一定的偏差;隧道渗水量越大,引起的地表沉降量越大;考虑隧道渗水可有效提高长期沉降的计算精度,验证了所提计算方法的可靠性。     

富水闪长岩地层中盾构隧道水土压力作用模式研究

迄今,在复杂的地质环境下,盾构隧道所受的水土压力尚难以精确计算。以济南地铁R2线为依托工程,选取2个代表性断面上实测的作用在衬砌结构上的水土压力,分析处于不同地质环境下掘进施工时盾构隧道管片水土压力的变化规律和分布特征。结果表明:1)在软硬不均的复合地层中,由于各土层物理力学性能的差异,盾构掘进约20环管片的距离后,测点处的水土压力才能基本稳定;2)对于正常固结的软黏土或粉质黏土,当覆土厚度大于2.5D(D为管片外径)时,已经产生土拱效应,采用Terzaghi松动土压力法计算较为合理。而对于覆土厚度小于1.5D的隧道来说,采用全土柱法较为合适;3)在上软下硬土层中,盾构隧道衬砌结构两侧的荷载并不对称,修正惯用法的荷载模式夸大了基底反力;4)不同埋深的两处断面的实测水压力值与理论静止水压力值基本相近。     

营运期地铁盾构隧道动力响应分析

采用三维动力有限差分法,考虑接缝、管片分块和软土地层等因素,对广州地铁四号线埋置于深厚软土地层之中的盾构隧道在地铁营运期间动力响应进行深入分析,并对考虑管片接缝与否2种计算模式进行比较分析。研究结果表明,地铁列车动载作用下,隧道动力响应自底部向顶部逐渐衰减,强烈区主要集中在下半部。管片环动力响应与接缝分布有关,临近接缝部位的动力响应值比远离接缝部位的动力响应值要大些。隧道基土动力响应强烈区主要分布于贴近管片环外围的一定范围内,越接近管片环、愈接近隧道底部,基土动力响应愈为强烈。地层动力响应由隧道壁往外快速衰减,受振区主要集中在距隧道中心约2倍隧道直径范围的近域地层内。当针对管片衬砌结构本身进行动力响应分析时,若把管片衬砌当整体考虑则会引起较大误差,故应考虑管片接缝;当针对地层进行动力响应分析时可不考虑接缝而把管片衬砌当成整体考虑,由此带来的误差在一般情况下可忽略不计。     

考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。     

盾构隧道施工松动土压力计算方法研究

在盾构隧道施工中,因管片支护和注浆填充,隧道拱顶土体位移受限制,土拱效应不完全发挥,土体剪应力小于其抗剪强度,使得Terzaghi松动土压力理论不适用于盾构隧道。针对这一情况,在Handy理论基础上推导了土的侧压力系数计算公式,得出侧压力系数的变化规律,其值与主应力旋转角度相关,其大小在主动土压力系数和被动土压力系数之间变化;并认为土拱效应的发挥和隧道拱顶位移相关,据此,在Terzaghi松动土压力理论基础上推导了一种可以考虑地层损失和管片刚度的松动土压力计算公式;并通过对土拱高度的讨论,提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

盾构隧道渗漏水原因及危害研究综述

渗漏水病害已成为目前我国盾构隧道的主要问题之一。研究隧道渗漏水的原因与危害,有助于进一步解决渗漏水问题。根据现有研究成果,对盾构隧道渗漏水的原因与危害进行了总结与归纳,从施工前、施工期间以及工后三个阶段对隧道渗漏水原因进行了分析,将渗漏水模拟方法归纳为等效渗流和接头渗漏;从渗漏水引起的土体孔压分布、隧道沉降和土体(包括地面)沉降等方面对管片渗漏水危害进行了分析。最后提出了现有研究的不足之处,并对盾构隧道渗漏水研究提出了一些建议。     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究

开挖面稳定是越江跨海盾构隧道工程安全的关键,尤其是高水压条件下,开挖卸荷导致开挖面稳定控制更加困难。以越江跨海盾构隧道为背景,研制了一套包含材料和设备的高水压泥水支护形式的开挖面稳定模拟试验装置,通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。研究结果表明:①高水压条件下开挖面失稳具有突发性,土体呈现由局部–整体形式急速发展破坏,极小的泥水压力变化幅度即可导致土体迅速发展为整体破坏并传至地表,失稳过程中可观测到滑移倾角减小、破坏范围扩张;②随着泥浆压力的降低,开挖面前方土压力呈现先减小后增大最终趋于稳定值,开挖面失稳可以划分为微观变形、局部破坏、土拱形成、整体失稳四个阶段;③开挖面发生主动破坏时,孔隙水压会发生突然降低现象,这是由于高应力条件下密砂具有剪胀效应,从而引起负孔压导致孔隙水压力急剧下降。这种孔压波动会对开挖面失稳带来不利影响,加速开挖面失稳进程、导致失稳区域的扩大。研究成果对越江海水下隧道工程具有指导意义。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

考虑盾构隧道纵向应力松弛的环缝渗漏水计算分析

为揭示盾构隧道环缝渗漏水演变过程及其影响因素,基于裂缝渗流模型推导盾构隧道管片环缝渗流量计算公式,进一步考虑隧道纵向应力松弛的影响,建立环缝渗漏水演变的时变状态模型,结合算例进行环缝渗漏水演变规律探讨和参数敏感性分析。结果表明,盾构隧道渗漏水量随着环间张开量增大或者外部水头高度的提高而增大,随着环间接头刚度的增大而减小。张开量对环间渗漏水的影响较为敏感,隧道顶部的渗流量始终小于底部。盾构隧道纵向应力越低,隧道渗漏水现象越明显。当纵向应力由3.2MPa衰减为1.2MPa时,渗流量增长为原来的12倍,且不同部位的环间渗流量差距逐渐扩大,隧道底部的渗流量约为顶部的2倍。在隧道纵向应力松弛后,纵向连接螺栓复紧将极大地降低环缝渗漏水量,螺栓复紧导致环缝渗漏量减小为原来的80%,导致纵向应力达到稳定状态后的环缝渗漏量减小至原来的20%以下。工程实践中,应重视盾构隧道纵向应力松弛对衬砌环间防水性能的影响。     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。     

软土地层盾构隧道渗漏水量与沉降关系的模拟分析

上海地区的隧道多处于饱和含水的软土地层,施工方法以盾构法为主。隧道的渗漏水往往是引发隧道沉降的主要原因,本文主要从盾构隧道的特点分析了渗漏水的原因,并通过有限元模拟计算,对比分析了渗漏水量对沉降的影响,同时研究了隧道长期沉降的变化规律,为上海地区盾构隧道的施工和防水提供了一定的参考。