基于水平收敛变形的软黏土盾构隧道病害统计分析

受邻近施工作业不断影响,盾构隧道水平收敛变形累积,逐渐产生或加重裂缝、破损、渗漏、错台、接缝张开、道床脱开等结构病害。根据大量软黏土盾构隧道实测数据,软黏土地层中盾构隧道状态普遍较差,水平收敛变形大于5‰D(隧道外径)的管环比例高达75%,管片裂缝、渗漏、道床脱开、环内错台、纵缝张开等病害问题较为严重。建立了管环裂缝、渗漏、道床脱开、环内错台、纵缝张开等结构病害与其水平收敛变形的关系。随着水平收敛变形的增大,最大裂缝宽度、裂缝数量、最大道床脱开量及最大环内错台量的上限均有线性增大的趋势,最大裂缝深度也缓慢增大;病害管环比例随水平收敛变形增大而增加。当水平收敛变形较小时,各种病害较少;而随着水平收敛变形增大,裂缝宽度大于0.4mm、漏泥沙、道床脱开量大于4mm、环内错台量大于4mm等严重病害比例增加;建议以2%的概率作为水平收敛变形控制界限值,即以0.2mm裂缝宽度、4mm道床脱开量、4mm环内错台量、仅发生湿迹(纵缝渗漏水)控制,水平收敛变形界限值为20mm;以0.4mm裂缝宽度、6mm道床脱开量控制,水平收敛变形界限值为50mm。     

邻近基坑施工作用下盾构隧道横向变形及开裂特性研究

宁波地铁1号线某区间左线隧道在邻近基坑施工时产生较大位移和横向变形以及严重的管片结构开裂和破损现象。基于现场测试结果总结管片结构的破损特征,采用横向变形和开裂特性相互分离的数值方法探讨邻近基坑施工作用下隧道的横向变形和开裂特性,并预测管片环的开裂趋势。基于Plaxis的平面应变模型其收敛变形预测值小于测试值,坑内降水是导致该隧道产生较大刚体位移的重要原因。衬砌环"横椭圆"变形模式决定了其开裂范围,即拱顶和拱底附近为易开裂部位,相对最大裂缝宽度总出现在拱顶或拱底附近,这与现场观测结果一致。当竖向收敛增量达到1%隧道外径时,靠近基坑一侧的拱底宏观裂缝在管片厚度方向贯穿,成为贯穿裂缝。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

上海越江隧道渗漏现状调查与分析

上海黄浦江越江隧道具有直径大、接缝长、埋藏深、水压高等特点,隧道周围软土又极易引起隧道结构变形,从而造成隧道结构防水的复杂性。上海越江隧道防水理论和防水技术在实践中不断提高,盾构法隧道管片自防水能力和接缝防水技术均取得了卓有成效的进步。通过对当前隧道渗漏情况的调查表明,新建的盾构隧道渗漏量较好地控制在0.1L/m²/d以下,矩形段渗漏量相对较大。调查还表明越江隧道的渗漏主要集中于圆形隧道段管片的环缝、纵缝、注浆孔、螺栓孔及管片裂缝、圆形隧道与竖井的井圈部位、竖井与矩形段连接部位、矩形暗挖段的变形缝(施工缝)、结构裂缝等。分析还表明越江隧道渗漏量与沉降累积值并无直接的联系,隧道沉降量大的地方渗漏反而不是最严重的。     

越江盾构隧道纵缝张开与收敛变形响应关系

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况,是影响地铁正常运营的重要因素。依托南京扬子江大断面盾构隧道,建立了单环管片精细化数值模型,以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性,研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。结果表明：(1)纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素,管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态;(2)对于大变形情况(>8‰D),不建议将提高螺栓预紧力作为控制收敛的主要手段;(3)得到的“纵缝张开-收敛变形”拟合公式,可用于估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。     

考虑接缝张开与变形影响的管片隧道抗震计算解析方法

基于管片间接触应力及张开变形的非线性及非连续性特性,提出了一种考虑管片间接缝影响的盾构隧道抗震计算解析方法。根据管片隧道在地震地层剪切变形作用下发生斜45°方向的最不利椭圆化变形,基于管片刚体及接头动刚度假设推导此时接头的动力位移响应(转角、位移),进一步通过管片之间(接缝)的接触条件假设,得到了衬砌结构的内力及管片接缝的接触面应力分布以及螺栓内力。与不考虑接头的Sedarat、Hashash方法进行对比后发现,管片衬砌结构的弯矩分布形态发生了较大的变化,且在管片接缝处可能出现局部混凝土压碎,对抗震条件下的接缝防水安全及结构整体稳定性极为不利,因此,考虑管片接缝局部应力和变形的影响,对盾构隧道的抗震设计计算是十分必要的。     

软土地层地铁盾构隧道施工引起衬砌结构变形规律研究

以无锡地铁3号线一期工程04标盛岸站至吴桥站区间盾构隧道为背景,基于海瑞克S-729土压平衡式盾构机掘进数据建立模型模拟盾构隧道开挖、同步注浆、管片拼装的流程。分析在软土地层中隧道衬砌结构的应力分布规律及拱顶、拱底与两侧拱腰在x, y, z方向的位移变化趋势,绘制在开挖过程中管片的变形分布曲线,结果表明盾构在软土地区掘进时,管片在拱顶、拱底与两侧拱腰处出现较大应力,同时拱顶与拱底处均在隧道竖直方向出现较大位移,而拱腰在隧道纵向位移达到最大值,须及时监控管片变形。     

带裂缝的盾构隧道衬砌力学模型研究

盾构隧道管片裂缝是影响结构性能与安全的主要病害之一,本文提出在盾构隧道梁-弹簧计算模型中,在裂缝位置处添加代表裂缝的弹簧单元来模拟裂缝的作用,并据此建立了带裂缝的盾构隧道衬砌力学模型.以上海长江隧道为工程背景,分析了典型断面发生一条和多条宽O.5mm.深15mm裂缝情况下的结构受力,发现裂缝的产生会一定程度上使附近区域的弯矩卸载,但这种作用只是局部的,对结构稍远处的弯矩影响不大,在局部均布五条裂缝情况下,裂缝截面附近弯矩比正常情况下减少了30%,此时结构已经产生了很大的变形(隧道横向收敛变形从38.6mm增加到43.9mm),故对于裂缝要引起充分重视,避免多条裂缝出现.     

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。     

基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究

利用广州地铁一号线黄沙-长寿路站区间隧道变形监测数据,从隧道各测点与隧道中心绝对位移、道床绝对位移、道床与隧道中心相对位移、各测点与隧道中心相对位移、隧道收敛以及隧道变形曲率半径出发,详细研究了地铁上盖物业建筑群基坑施工对区间隧道的变形影响,解析了诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因.研究结果表明:(1)上行线隧道己朝西北角基坑发生侧向移动,隧道处于不利的扭转受力状态,下行线隧道水平方向变形则呈现明显的腰鼓形态;(2)上、下行线隧道沉降主要集中在离车站北端0～70 m区段,沉降曲线均呈现明显的勺子形状,且下行线隧道沉降量明显大于上行线;(3)道床最大沉降量在地铁正常运营控制范围内,但道床与隧道底部间存在一定程度的脱空,导致道床开裂和水沟翻浆冒泥;(4)隧道纵向沉降最小曲率半径为19 500 m,按等效轴向刚度模型计算,其对应的管片环环缝最大接头张开增量为0.33 mm.     

基于模糊概率方法的软土隧道结构性态风险评估

利用模糊数学中的模糊概率理论,建立了软土隧道结构性态的模糊概率综合评估模型。模型应用模糊权重的概念,充分考虑了权重的模糊性以避免权重取值的不确定性。结合影响软土隧道结构性态的主要因素,选取渗漏水范围、横向水平位移、隧道断面收敛位移和钢筋泄露电流密度为主要评估影响因子,同时将隧道结构性态风险等级划分为优秀、良好、一般和较差4个等级,进而使评估结果更为精细。算例分析表明了文中方法对软土隧道结构性态风险评估的合理性和有效性。     

穿越走滑断层的山岭隧道抗错断铰接设计试验研究

我国西部地区的长大山岭隧道在选线时多要穿越活动断裂带,面临断层运动对结构设计和安全运行的挑战。该文以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,基于自主设计的用于模拟走滑断层运动的试验装置,研究走滑断层运动下岩体的破裂特性以及采用铰接设计的隧道模型的响应规律和破坏模式。试验结果表明：走滑断层运动下岩体地表位移在断层滑动面处存在明显的不连续;隧道与断层滑动面相交的节段衬砌横截面由圆形变为竖椭圆,且在给定50mm的断层错动量下水平轴直径变形率达到6.57%;隧道与断层滑动面相交节段衬砌在断层运动下产生约5°的水平偏转,且与相邻节段衬砌间有明显错台发生;与连续隧道相比,铰接设计可以显著降低衬砌结构的应变响应。此外,铰接体系隧道的破坏模式以环向裂缝和斜裂缝为主,在破坏程度和范围上均明显减小。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

单斜构造软硬互层围岩隧道变形特征及控制对策

为探究单斜构造软硬互层围岩隧道在不同岩层倾角下的变形特征,以渭源至武都高速公路木寨岭隧道工程为依托,对炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道开展了现场调研和现场监测,分析了隧道变形特征及影响因素; 利用有限差分软件FLAC 3D建立三维数值模型,研究了不同岩层倾角下的隧道变形规律; 针对不同的变形特征,总结了针对性的隧道变形控制措施。结果表明:隧道变形主要受岩层倾角和地下水影响,在单斜构造地层条件下隧道呈现出明显的非对称变形,隧道一侧岩层易发生弯曲变形和破坏,建议采用“非对称布设和长-短组合搭配”的预应力锚索对围岩进行主动加固; 在地下水汇集的情况下,隧道另一侧岩层易沿弱面发生顺层滑移破坏,应注意排水,避免地下水在初期支护背后汇集,减小地下水对围岩稳定性及初期支护变形的影响; 当岩层倾角小于50°时,隧道变形表现为沉降大于水平收敛; 当岩层倾角大于50°时,隧道变形则表现为水平收敛大于沉降; 隧道最大沉降随岩层倾角呈三角函数规律变化,当岩层倾角为40°～50°时,隧道沉降达到最大值; 最大收敛变形随岩层倾角呈指数规律变化,即岩层倾角越大,隧道收敛变形越显著。     

北京地铁运营隧道病害状态分析

基于北京地铁隧道病害检测结果,分析结构形式、配筋和运营时间对隧道病害状态的影响。研究结果表明,管片接缝变形是盾构隧道病害的根源,并由此引发了盾构断面的椭圆化变形、管片的压溃与错台以及盾构隧道的渗漏水。衬砌开裂是矿山法隧道的主要病害,裂缝宽度与深度受运营时间影响大且具有离散性强、随机性大的特点,配筋对隧道结构安全有积极影响。渗漏水受降水的影响较大,多出现于隧道衬砌结构的缝隙,如盾构隧道的接缝、螺栓孔或矿山法隧道的变形缝、施工缝和衬砌裂缝等。衬砌空洞多位于拱顶,形状接近于长条形、正方形和椭圆形,且多伴随着邻近衬砌的开裂。混凝土碳化深度与运营时间成正比,碳化深度和速率在隧道道床位置最大、边墙次之、拱顶最小。裂缝是整体式道床的常见病害,道床在剥离的同时还伴随沿其纵向的扭转。     

盾构隧道已开裂管片的受力变形特性

结合广州地铁某已运营的盾构区间隧道现状,通过采用三维Goodman单元来模拟管片已存在的裂缝,对盾构区间隧道已开裂管片的裂缝深度变化对管片结构造成的影响进行了分析,同时也对侧向土压力、地基弹簧系数以及地下水位等几种重要因素对管片受力变形特性的影响进行了评估。研究表明,随着裂缝深度的增加,管片砼的拉应力、压应力虽然达到最大值,但变化幅度并不大。但当裂缝接近径向贯通的时候,钢筋的拉应力值会大大增加,有可能超过允许值。同时,在盾构管片存在既有裂缝的情况下,盾构管片的最大拉应力值、水平和竖向收敛值、竖向沉降值均随侧向土压力系数、地基弹簧系数的减少而增大,同时随地下水位埋深的增大而增大。根据研究结果,对该区间隧道盾构隧道的裂缝等病害采取了针对性修复措施,目前无新的裂缝出现,总体处于稳定及安全的状态。