超大隧道装配式管片接头刚度的模型试验研究

目前国内外的盾构隧道都朝着更大直径方向发展。为评价超大直径装配式衬砌结构的接头力学性能,以便于在实际工程中应用,开展了两种超大直径的缩尺模型试验。试验内容分为纵缝直接头偏心受压试验、错缝夹片偏心受压试验和单体管片破坏性试验三类。在详细介绍了模型设计、试验工况和加荷系统等相关内容的基础上,重点分析了管片接头纵缝转角刚度、挠度变形与纵缝张开量、钢筋应力与螺栓受力及裂缝开展情况等。通过试验数据的类比分析,得出了超大直径20.2m盾构隧道装配式衬砌管片接头的一些受力性能与变形规律以及存在的问题。试验结果可指导类似盾构隧道的结构设计。     

盾构隧道纵缝接头抗弯计算模型研究

针对不设传力衬垫的盾构隧道纵缝接头,基于已有的管片接头抗弯性能试验的结果,首次提出与接头应力相关的刚度折减系数的概念,并给出其取值经验的公式。在此基础上推导纵缝接头转角弯矩关系的显式解析公式,可直接应用于盾构隧道的结构受力分析。所推导的解析公式可以较好地反映接头轴力对其抗弯力学行为的影响,描述管片接头抗弯刚度随转角增大而减小直至破坏的整个过程。与管片接头足尺试验结果的对比表明,该解析解与试验结果吻合得较好,有重要的工程应用价值。     

大直径盾构隧道新型纵缝接头抗弯性能试验研究

纵缝接头是盾构隧道受力性能的薄弱部位,管片接头的形式直接影响盾构隧道的力学性能。目前国内的盾构隧道纵缝接头使用的连接件多为螺栓,新型纵缝接头使用了一种新的连接件—滑入式连接件,此种接头在大直径盾构隧道中的受力性能有待研究。本文以新型纵缝接头为研究对象,针对两种不同型号的滑入式连接件,采用模型试验的方法探究了大直径盾构隧道新型纵缝接头的受力性能,通过理论分析计算了新型纵缝接头的极限承载力,并比较分析了传统螺栓纵缝接头和新型纵缝接头的受力性能。结果表明：新型接头衬砌管片的薄弱部位在连接件周围的混凝土区域;滑入式连接件的型号直接影响新型纵缝接头的受力性能,两种接头中连接件尺寸较大的接头转角刚度相较于连接件尺寸较小的接头转角刚度增加了7.2～169.5%,极限承载能力增加了69.9%;新型纵缝接头比螺栓接头有更高的转角刚度,受力性能更好,适用于大直径盾构隧道。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

考虑碳化的地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学模型研究

长期服役的地铁盾构隧道内表面混凝土会产生碳化现象,从而改变纵缝接头的受力性能。针对地铁盾构隧道服役期混凝土碳化典型工况,考虑接缝面细部构造、正常及碳化混凝土不同非线性受力特性、接缝面接触特性以及螺栓预紧等因素,构建可以表征接缝面混凝土压碎、螺栓屈服以及接头极限状态的纵缝接头抗弯力学模型,并结合纵缝接头抗弯足尺试验对碳化后地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能进行对比分析,验证工程设计适用性。研究结果表明：采用全积分形式进行纵缝接头混凝土本构关系运算,适用研究混凝土碳化的影响;负弯矩作用下,内表面边缘混凝土接触之前,混凝土碳化无明显的影响;接触之后,随着碳化厚度增加,螺栓应变、接缝张开量及压缩量等最大值均增大,极限弯矩也相应增大,但增幅不断减小;轴力不会对碳化后的纵缝接头力学性能产生明显耦合影响。     

地铁盾构隧道衬砌结构变形及破坏探讨

盾构隧道衬砌结构的变形与破坏模式受接头的力学性能控制,但目前国内地铁盾构隧道接头形式多样,不同形式的接头对整环结构受力性能的影响机理还不清晰。基于足尺试验,分别研究单环、多环的国内典型地铁直螺栓接头衬砌结构、弯螺栓接头衬砌结构、快速接头衬砌结构的受力性能,对比分析其正常运营状态的变形、周边扰动下的破坏模式与极限承载力。结果表明：①通缝拼装盾构隧道衬砌结构的性能由纵缝接头性能决定,提高纵缝接头延性可使结构破坏模式从接头处连接件脆性断裂转变为结构整体失稳;②错缝结构性能取决于环间相互作用强弱,随着环间相互作用的增强,结构首个塑性铰位置从纵缝接头向管片本体转移;③可通过环间、环内的协调设计,优化结构正常运营状态基本受力性能,提高结构极限承载力并使结构发生延性破坏。     

基于光纤监测的盾构管片接缝受力研究

盾构法在国内外地铁施工中广泛运用,管片接缝是盾构隧道的薄弱环节,关系到盾构隧道的质量和安全。以深圳地铁11号线南山—前海湾区间盾构隧道工程为依托,利用光纤监测技术设计和开展了盾构管片接缝受力现场试验,直观地了解到盾构施工过程中管片接缝处管片及连接螺栓受力变形的实时状态,得到管片接触应力、螺栓轴向应力及变形的一些规律:(1)不同接缝位置连接螺栓和管片的应力应变都是在试验环后第2环安装完成前迅速增长,之后趋于平缓波动或缓慢增长,第2环后盾构施工对连接螺栓及管片的影响在减小;(2)在试验中连接螺栓的受力变形一般大于管片的受力变形,管片和螺栓的受力变形都还有安全储备,处于安全状态;(3)纵缝连接螺栓的应力应变大于环缝连接螺栓的应力应变,不同接缝盾构管片应力应变规律与螺栓的正好相反。     

青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

纵缝转角刚度、纵缝（环缝）剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数，历来是本领域研究的重点和热点。结合青草沙水源地原水工程，通过管片接头 原型荷载试验 ，对上述关键计算参数进行研究。试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型，负弯矩作用下转角刚度近似成线性，而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同。在纵缝和环缝剪切试验中，管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段，其中错动主要发生在第二阶段。弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小。并且当纵缝转角刚度较大时，弯矩传递系数较小，反之亦然。最后结合试验结果，给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些 有益 的结论，以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

盾构隧道管片及纵向接头力学性能数值模拟研究

管片接头作为盾构隧道衬砌结构的薄弱部位,其力学行为直接反映隧道结构整体受力性能。考虑到接头由相邻管片连接而成,本文首先选用非线性有限元法对单个管片的静力响应开展研究,并与文献试验结果对比以验证数值模型。借此模型分析了混凝土剪胀角、拉压损伤行为等对管片结构力学行为影响。在此基础上,依托文献中管片纵向接头静载试验,详细地考虑了接头构造及接头处的相互作用,建立相应模型模拟试验加载过程,同时将数值分析结果与实测试验结果的破坏模式对比分析。基于提出的有限元模型,进一步研究了管片纵向接头力学特性随各关键因素变化规律,包括接头外侧间隙、螺栓倾斜角度及伸入管片长度、接缝两侧密封垫弹性模量和厚度,以及螺帽与手孔混凝土间初始接触状态。获得不同工况下接头挠度、接缝变形及接头转角等变化规律。     

盾构管片钢板加固接头试验对比分析

随着我国地铁运营线路的不断增多,盾构隧道的加固维修工作也逐步增加。常用的管片加固方法为粘贴钢板加固。为研究不同参数对钢板加固纵缝接头受力性能的影响,以钢板加固盾构隧道纵缝接头为试验对象,开展不同形式下钢板加固纵缝接头的足尺试验。试验结果表明：增加锚栓排数不影响钢板加固管片的破坏机理,增加钢板厚度影响钢板加固管片的破坏机理;对钢板加固管片,增加锚栓排数和钢板厚度均能够提升接头的承载能力。     

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。     

Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of continuously jointed segmental tunnel linings

The serviceability of segmental tunnel linings is attracting more and more attention within the operation of urban rail traffic. Full-scale tests are herein conducted to determine the ultimate bearing capacity of continuously jointed segmental tunnel linings, considering changes of surrounding environment. The design of tested linings and loading schemes are described. The most important results are the evolution of deformations, cracking and opening of joints and forces in bolts. The bearing capacity, role of joint bolts and failure mechanism of the tested linings are analysed. It is found that failure of these linings is caused by the failure of joints. Thus, in order to optimise structural design of tunnel linings, more attention needs to be paid to maximise the joint strength. It is also found that circumferential joint bolts could take action and offer the safety margin in connection with the response of segmental structures. What’s more, a comparison of different experimental loading conditions has shown that segmental lining structures are more vulnerable to lateral unloading than to overload conditions.     

连接螺栓对类矩形盾构隧道结构极限承载力影响的试验研究与分析

针对类矩形盾构隧道衬砌结构纵向接缝处弯矩正负性确定的特点,对纵向接缝连接螺栓位置进行了优化。基于结构整环足尺试验结果,对比分析了优化前后衬砌结构整体变形、接缝变形和螺栓应变的发展,研究了优化前后结构设计阶段受力性能、破坏机制、极限承载力和鲁棒性的异同。研究结果表明：①螺栓位置优化对结构设计阶段受力性能影响较小;②优化后结构在带缝工作阶段的受力性能明显提升,结构整体刚度提高,极限承载力提高30%;③优化后结构破坏呈延性破坏特征,属于塑性铰机制,结构结构整体安全性得到提高。     

Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of deformed segmental tunnel linings strengthened by epoxy-bonded steel plates

In order to develop an effective method to increase the load-bearing capacity of deformed segmental tunnel linings, full-scale tests concerning the ultimate bearing capacity of the linings, strengthened by steel plates, were conducted. The design of the tested linings and the loading scheme are described in this paper. In addition to the bearing capacity, the failure mechanisms of the tested linings were investigated. It was found that bonding of steel plates to the deformed segmental tunnel linings is an effective and practical method for strengthening segmental tunnel linings, thereby enhancing both their ultimate bearing capacity and their overall stiffness. The behaviour of these structures under loading is similar, no matter whether they are strengthened by full-ring or so-called semi-ring steel plates. The failure of the strengthened linings is the consequence of local failure of the bond between the steel plates and the tunnel segment. Therefore, the success of the proposed strengthening method strongly depends on the bonding capacity.     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型研究

盾构隧道管片接头承载力的计算是管片设计和服役性能评估的重要部分和关键部分,针对形式相同而细部构造不同的管片接头,提出一套适用于其抗弯承载力计算的理论方法十分重要。鉴于此,文章基于接缝面的不连续特征将接缝面进行适当分区,建立盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型,并给出对应的求解算法。将理论模型的计算结果与接头足尺试验结果进行对比分析,验证理论模型的正确性,然后采用该计算模型对管片接头抗弯承载力进行分析与讨论。结果表明：管片接头抗弯承载力曲线具有明显的非线性特征,随着轴力的增大,接头极限弯矩呈先增大后减小的趋势。混凝土强度对于接头抗弯承载力的影响较为显著,而螺栓强度和螺栓直径对于接头抗弯承载力的影响程度受轴力控制,轴力较小时,上述两参数的增大对于接头抗弯承载力的提升效果明显,轴力较大时效果逐渐减弱,当轴力高于某一阈值后,螺栓对于接头抗弯承载力无影响。文章所提出的抗弯承载力计算模型与研究结果以期为盾构隧道结构设计、试验和性能评估提供重要参考。     

Mechanism for buckling of shield tunnel linings under hydrostatic pressure

In this paper, the effects of segmental joints, dimensions of segments, and ground conditions on buckling of the shield tunnel linings under hydrostatic pressure are studied by analytical and numerical analysis. The results show that radial joints have significant impacts on the buckling behavior: the shield tunnel linings with flexible joints buckles in a single wave mode in the vicinity of K joint, while those with rigid joints buckles in a multi-wave mode around the linings. Hydrostatic buckling strength is found to increase with the flexural rigidity of the radial joint and the thickness of segment increasing. This study shows that ground support increases the buckling strength dramatically, while earth pressure reduces the capacity to resist hydrostatic buckling. The tunnel linings during construction are found to be easier to buckle than that during operation. Meanwhile, the buckling of tunnel linings is studied by theoretical analysis of buried tube buckling.     

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。     

砂土层中盾构隧道局部破坏引发连续破坏的机理研究

盾构隧道由混凝土管片拼接而成,接缝部位薄弱,在建设和运营过程中存在大量风险。国内外发生过多起因隧道管片局部损坏演变为隧道大范围破损甚至连续坍塌并导致地表沉陷等灾害。通过对隧道管片接头的受力分析,建立了接头的极限承载力M-N包络图,作为管片接头的破坏准则。以隧道联络通道施工时,隧道腰部设置洞门作为隧道局部破坏的背景,利用离散元软件PFC,通过FISH语言二次开发研究了隧道腰部管片局部破坏引发的隧道连续破坏机理。研究表明,隧道腰部局部破坏引起土体进入隧道内从而引起隧道腰部外土体松动,并且松动区外围产生的土拱的拱脚支承于隧道顶部区域,这都导致隧道内力急剧增大,直至超过管片及接头的极限承载力,隧道局部破坏发生扩展。由于隧道环间螺栓的作用,破坏环过大的变形引起邻近环横向变形增大,进而引发邻近环的破坏,破坏沿纵向传递,隧道发生大范围连续破坏。最后,初步提出并对比分析了多种隧道防连续破坏措施。