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。     

盾构隧道管片钢筋力学行为初探

钢筋混凝土管片是盾构隧道最基本的结构单元,钢筋作为管片的主要组成部分,其力学行为影响管片配筋形式及配筋量,从而影响盾构区间隧道的造价。本文以广州地铁使用的管片为研究对象,利用大型通用有限元软件ADINA,计算了单块管片在施工阶段受到千斤顶顶力作用时的钢筋应力;同时,将整环管片在正常使用阶段受到的土压力、水压力及周围土层的弹性抗力抽象为7种荷载,计算了整环管片模型下管片钢筋的应力。计算结果表明,管片的制作和安装精度明显影响了管片在施工状态时的钢筋应力,存在制作或施工误差的管片,其钢筋应力为无误差管片的2.3～4.7倍,但两种情况的钢筋应力均处于较低的水平;在正常使用阶段,考虑接头的整环模型管片钢筋的最大拉应力为73.3 MPa,最大压应力为67.7 MPa,分别相当于钢筋强度设计值的24.4%和22.6%。施工阶段管片钢筋应力水平与正常使用阶段钢筋应力水平并无明显区别。为进一步了解管片配筋的力学行为,还需要研究管片及其配筋在长期荷载作用下的力学行为,在保证隧道耐久性的前提下,合理的使用钢筋。     

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。     

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。     

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。     

地铁隧道明挖施工基坑支护稳定性分析

在传统方法基于隧道围岩压力计算和无损无缝驳接技术施工过程中,受到单一区间隧道施工和整体车站施工的相互干扰影响,导致细部施工效果不佳的问题,提出了既有成型盾构隧道新增明挖车站结构细部施工技术研究。以某市地铁的一号线一期工程的实际情况为研究对象,通过控制出土量实现土压平衡模式掘进,调节密封仓内土压力。采用有限差分数值分析方法,对管片拼装进行精细化管理,支撑加固地层。通过在管片处设置环向连接钢带,进行防水细部施工。模拟盾构始发洞口设置,对咬合桩细部施工,由此完成新增明挖车站结构细部施工,保证地铁隧道施工安全。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

盾构隧道施工动态扰动特点及控制分析

按照盾构施工引起的地层扰动机理及变形特点,将盾构施工对周围地层的扰动过程分为5个阶段,即:盾构机到达之前土仓压力影响阶段、盾构机通过阶段、管片衬砌脱出盾构机盾尾阶段、管片壁后浆液硬化阶段以及扰动土层的蠕变固结阶段,对盾构隧道施工各个阶段的地面沉降、土压力及孔隙水压力的变化过程进行监测,并分析其各自的变化特点。针对盾构施工过程的5个阶段的施工扰动特点,探讨各阶段相应的施工扰动控制要点。     

结构参数对异形断面盾构隧道管片力学特性的影响研究

为研究设计参数对矩形盾构隧道装配式衬砌结构受力的影响,采用ANSYS有限元软件,建立了矩形盾构隧道装配式衬砌内力计算的梁-弹簧模型,探讨了断面形式、分块数量、管片厚度和接头刚度对管片内力的影响规律。计算结果表明:4种典型矩形盾构隧道结构断面形式中,类椭圆和曲墙曲拱断面的异形断面断面受力状况较优。不考虑接头位置,仅分块数量的改变对管片内力的影响相对较小。随着管片厚度的增大,管片的内力均有所增大,管片厚度的改变对剪力影响最明显,对轴力的影响小。接头刚度的改变对管片弯矩和剪力的影响明显,对轴力的影响较小,接头刚度的影响呈现明显的区段性,在接头刚度较小时变化较快,之后变化趋于平缓。     

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。     

盾构施工中注浆压力波动对邻近桩基影响的研究

盾构隧道施工中,沿着掘进方向土体参数存在空间变异性,需要不断调整注浆压力,以保证地应力稳定。这导致在施工过程中注浆压力会围绕设计压力值曲线波动。因此,在模拟盾构隧道掘进施工过程中应该考虑注浆压力参数的波动性对邻近受荷桩基的影响。针对这一问题,结合太原地铁2号线“学府街站—长风街站”盾构区间工程案例,考虑了注浆压力参数的不确定性,用数值模拟方法分析了地铁隧道盾构施工对邻近受荷桩基附加响应的影响。结果表明：考虑注浆压力波动性的盾构施工对邻近受荷桩基附加弯矩的影响较大,对附加轴力的影响相对较小;对附加弯矩的影响大的区域在地表以下0～30 m范围内(约2.5倍隧道埋深),对附加轴力影响较大的区域在隧道埋深附近。通过卡方检验发现,当300组注浆压力满足正态分布时,受其影响后的受荷桩基的附加轴力和附加弯矩也服从正态分布。     

盾构在矿山法隧道中空推管片纵向受力分析

以某地铁盾构在矿山法隧道中空推为背景,对盾构施工时管片的应变过程进行了详细的监测和分析,对盾构施工过程中管片应变的规律进行了总结,管片轴向压应变沿时间变化分为两个明显阶段,千斤顶施加反力阶段应变急剧增加,后逐渐减小至稳定;管片壁后压浆阶段,会造成局部管片发生侧向剪切位移,使得同一管片不同位置上的混凝土轴向压应变升降不一;同一监测断面上的应变沿环向分布极不均匀,易出现渗漏水现象;断面整体预压力基本满足要求。     

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

 上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。     

重叠隧道盾构施工对先建隧道影响模型试验研究

针对软土地区重叠盾构隧道施工中,由于不同开挖顺序及不同推进速度下既有隧道位移和内力变化规律,设计了4组模型试验,试验结果表明,先上后下施工时,下线隧道的施工引起上线隧道纵向的沉降,且上线隧道管片环向内力发生偏转,拱底两侧内力变化最大;先下后上施工时,上线隧道的施工引起下线隧道纵向隆起,且下线隧道管片环向内力发生偏转,拱顶两侧内力变化最大;不管何种施工顺序,都会引起隧道纵向附加内力,但纵向内力表现为波动性和临时性。从纵向位移及既有隧道的内力改变来看,先下后上施工顺序的安全性优于先上后下的施工顺序。在重叠盾构隧道施工过程中,既有隧道的附加变位和内力值均随着推进速度的增大而增大,并且推进速度的影响范围也相应增大,所以在施工期间,应合理控制盾构机的推进速度,以免对近接既有隧道的结构安全造成较大的影响。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

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。     

武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。