盾构管片整环足尺寸模型试验研究综述

在地铁施工和运营期间,盾构管片在不良工况影响下经常出现变形过大和承载力降低等问题。以优化盾构管片受力和提高安全性能为目的,国内外学者通过整环足尺寸模型试验对管片变形性状和破坏关键性能点进行了大量研究。依据试验对象的不同,分别从未加固类管片和加固类管片对研究现状进行了总结和阐述,明确盾构管片结构整体变形、管片内力、接缝变形、管片裂缝、混凝土应变、接缝螺栓、管片错台量等发展情况,总结管片受力变形规律、极限承载力及破坏特征。明确国内外研究的不足,进一步优化加载装置、加载方式和加固技术,对未来该领域的研究提出进一步展望。     

地铁盾构隧道纵向接缝承载能力试验研究与解析分析

当前地铁运营实践和研究表明管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。依托于整环试验研究结论,以盾构隧道管片纵缝接缝为研究对象,对不同运营工况下管片接缝的承载性能进行了足尺试验研究,获得不同工况下构件挠度、接缝转角等变化规律,得到转角刚度。分析得到了纵缝接缝的破坏链条,推导了可模拟接缝受力全过程的解析模型分析了纵缝接缝的全过程受力性能及其极限承载力。并借此模型对接缝截面与全截面受力变形进行对比分析,通过试验数据与解析模型数据的对比分析验证解析模型的合理性。     

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。     

高海拔双护盾TBM公路隧道管片破损模式及原因分析

文章采用现场统计方法,以某高原地区双护盾TBM隧道为工程依托,对TBM施工过程中出现的管片结构损坏形式进行统计,分别总结得出双护盾TBM管片结构损坏主要类型、管片结构破坏模式,并分析管片结构损坏原因,给出相应的预防措施。研究分析表明:(1)双护盾TBM管片结构管片破损区域主要发生在管片结构推出护盾后阶段,管片结构径向错台是引起管片结构破损的主要原因。(2)管片的损坏形式有管片裂缝、管片错台、管片渗水、管片联接螺栓失效四种形式,其中管片开裂、错台是其主要的破损类型。(3)管片裂缝主要有环向、纵向裂缝两种形式,管片裂缝主要发生位置在拱部区域,逐步向边墙位置扩散并衰减;纵向裂缝长度和宽度普遍大于环向裂缝,纵向裂缝基本上均能形成管片环宽度的贯通裂缝;管片错台分为环向、纵向错台,主要发生位置和裂缝位置基本一致,纵向错台量普遍大于环形错台量。(4)地质条件突然改变、管片制作、拼装质量较差和盾体与管片结构位置偏差过大是导致管片结构破损的主要原因。研究结论以期对深埋山岭双护盾TBM隧道施工提供借鉴与参考。     

输气盾构隧道原型管片接缝弯压破坏试验

长距离输气盾构隧道常需穿越复杂地层，接缝作为衬砌结构的薄弱环节，构造复杂，在大弯压荷载下变形易超出设计要求而导致破损。为探明接缝的压弯力学特性和破坏机理，选取原型弧形接缝结构进行加载试验。详述接缝影响范围内管片受力、变形、破坏的全过程，定量分析破坏程度与结构内力、形变的关联。结果表明：偏心距可影响接缝变形的挤压、隆起趋势从而影响结构的弯矩分布。在压弯作用下，接缝经历了螺栓屈服前缓慢变形阶段、屈服时突变阶段和屈服后快速变形破坏阶段。接缝破坏时变形量较小，两侧被压溃的混凝土范围约等于管片厚度。破坏机理可归纳为：螺栓屈服导致接缝张开，致使弹性密封垫下部接触受压区面积减小、压强增大造成混凝土压溃，进而外弧边沿嵌缝槽处混凝土受压接触并最终压溃，导致接缝破坏。     

局部破损与错台管片结构力学特征研究

实际工程中,地质条件变化、盾尾间隙控制不佳及盾构姿态纠偏等均可能造成管片局部破损或错台,盲目地进行修补可能对管片受力无益,反而增加修补块脱落风险。为此,采用有限元分析软件ABAQUS建立管片局部破损及错台模型,对管片受力与变形特征进行分析。研究结果表明,管片局部破损导致破损周围混凝土应力分布发生变化,但影响范围有限;局部破损对管片变形的影响较小,不会引发整环管片刚度发生变化;管片错台影响接头螺栓与接缝混凝土应力状态,但有限错台量(≤20mm)对结构受力(损伤)的影响较小;如果管片发生局部破损及轻微错台,可不必进行结构性修补,推荐清除浮块后涂抹防腐材料;如果管片破损严重,需采取合适的结构补强措施。     

地震下大断面盾构隧道接缝力学及防水性能研究

为研究大断面盾构隧道在地震条件下接缝力学及防水性能,利用ABAQUS分别建立了地层-结构三维有限元模型及密封垫二维有限元实体模型,研究了在不同地震强度下管片接缝的力学性能及错台量与张开量,基于不同位置接缝变形结果讨论了隧道防水性能退化情况。结果表明:(1)中震与大震下左侧拱腰下侧接缝处的最大主拉应力已超过混凝土最大抗拉强度,混凝土出现一定损伤;(2)不同地震强度下纵缝错台量分布规律及大小基本相同,呈"眼镜"状分布,拱顶与拱底错台量相对较小,拱腰与拱脚处错台量较大;(3)拱顶右侧接缝防水能力保持最好,可达2.77MPa,相比正常情况仅削弱16%,环内拱腰附近接缝防水能力削弱严重,防水性能削弱达到40%。     

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。     

盾构隧道钢板加固衬砌管片环缝抗剪性能数值模拟研究

盾构隧道环缝相邻管片之间的错台变形,加剧了运营隧道结构所面临的风险。采用外置钢板对已经发生错台变形的环缝处相邻管片进行加固是一种可取的错台变形控制措施。采用有限元数值模拟的方法,建立了盾构隧道管片环缝钢板加固的三维数值分析模型,在此基础上设计并开展了钢板加固管片环缝数值模拟试验。根据数值模拟试验结果,首先分析了外荷载作用下管片接缝错台变形的发展规律,通过螺栓与管片内的应力分布及发展模式解释现象发生的原因;然后,通过对比未加固与钢板加固接缝管片错台变形随荷载增大的发展情况,对该加固方法对错台变形的控制效果进行量化讨论;最后,分析了当接缝发生错台变形时钢板与管片间连接界面的应力分布规律,揭示了加固钢板与管片之间的传力机制,据此对实际盾构隧道加固工程提出指导性建议。     

错台对盾构隧道接缝受力及防水性能的影响分析

为了研究软土地区不均匀沉降对地铁隧道结构力学性能与防水性能的影响，通过ABAQUS有限元软件分别建立管片 接头三维精细化模型和密封垫 密封槽二维精细化模型，分析了接头在不同错台量和张开量条件下的应力分布规律及管片的损伤特征，讨论了不同错台量条件下密封垫防水性能的下降程度。研究结果表明：错台量较小时螺栓轴线应力分布呈现“单峰”形式，螺栓最大应力位于右侧管片接缝面附近；错台量较大时螺栓轴线应力呈现“双峰”形式，螺栓峰值应力位于接缝面两侧；张开量对螺栓最大应力的影响较小，但对螺栓中截面应力影响较大，随张开量的增大呈现先减小后增大的趋势；管片混凝土损伤主要出现在螺栓孔附近；在最不利工况下，隧道防水性能下降59.0%；当错台量大于6.6mm时，隧道已不满足防水要求。     

水压作用对通缝拼装管片结构力学性能的影响研究

以苏通GIL综合管廊工程为背景开展了通缝拼装方式下的原型试验,从水压对管片环的受力、形变及抗裂性方面着手,对通缝拼装条件下水压力对管片结构力学性能影响进行了研究。试验结果表明：①通缝拼装管片结构在拱顶位置出现较大的位移,水压力的增大对管片结构拱顶形变和整体椭圆变形的控制有良好的效果,但管片最大单点位移相比椭圆度更易达到限值;②通缝拼装管片结构建议取单点最大形变率2‰~2.5‰作为形变控制标准;③在高水压作用下通缝拼装管片结构的纵缝张开主要发生在封顶块附近,由于该处纵缝密集、结构刚度最小、变形最大所致,水压力的增大对该处纵缝张开有明显的限制作用,且可减小相应连接螺栓的受力;④水压力的增大会较大幅度地提升管片的抗裂性能,并减小管片主筋的拉应力,但也会使主筋的压应力和箍筋应力有较大幅度的升高;⑤水压力的升高在一定程度上提高了管片结构的受力性能,但高水压使管片结构处于高轴压受力状态,易发生纵缝处的压剪破坏,该破坏具突发性。研究成果对水下盾构隧道的设计具有重要的指导意义。     

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。     

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。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

盾构隧道纵向接头局部足尺试验研究

沿盾构隧道纵向,管片环与管片环之间的接头称之为纵向接头。纵向接头是变形的薄弱部位,在变形过程中受到相邻管片的约束,其受力特点与管片接头不同。文章首先采用数值模拟方法,研究纵向接头局部试验的可行性,然后开展纵向接头局部足尺试验,研究接头的受力变形特征,所得结论如下：对纵向接头进行分析时,对比整环模型及纵向等效刚度梁模型计算结果,两者接头张开量、螺栓应力相差在11%以内,管片结构塑性损伤区分布特征基本一致,故纵向等效刚度梁模型可作为纵向接头局部足尺试验的依据;纵向接头局部足尺试验时,纵向接头张开量的变化对轴力更加敏感,螺栓应变增长与环间力(轴力、弯矩)的增加基本保持一致。接缝转角在环间拉力下趋近于0,且追随环间弯矩的变化;各工况中构件表面混凝土最大拉应变出现在套筒侧管片外表面中部,最大压变出现在手孔侧管片的内表面。破坏试验中,纵向拉力3232kN时管片结构先于螺栓破坏,此时螺栓未达屈服强度。     

基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法

 盾构隧道横断面收敛变形是评价隧道结构性态的重要指标。由预制管片拼装而成的盾构隧道,接头刚度显著低于管片刚度,因此,其横断面变形主要集中在接头张开及管片转动部位。针对盾构隧道横断面变形特点,提出考虑分布式光纤传感技术空间分辨率的点式固定方法,测量相邻管片接头两侧的相对位移。运用几何学原理,对管片接头张开、管片转动及隧道变形进行分析。通过2组不同轴力下的盾构隧道接头室内原型试验验证该方法,结果表明该方法可以有效感知盾构隧道横断面变形。采用该方法长距离布设光纤,可形成盾构隧道变形感知神经网络,提高监测密度,实现长距离、高密度、高精度、低成本的盾构隧道变形健康监测,从而保证地铁隧道的运营安全。     

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。     

地下工程连通接驳等效刚度加固机理及方法

地下工程拓建连通接驳时,通常侧重既有结构开洞与加固的强度校核,对结构刚度在内力重分配中的作用重视不够,加固环梁初始断面的确定亦缺乏依据。基于超静定结构的力学特性,提出拓建结构连通接驳的等效刚度加固机理及方法。得出如下结论:(1)超静定结构对变形的敏感性强,连通接驳设计及施工应降低开洞变形对既有结构内力的影响;(2)连通接驳等效刚度的目的是实现加固环梁与拆除结构刚度的等效性;(3)等效刚度法为加固环梁初始断面的确定提供计算方法,为结构强度校核提供依据;(4)建议连通接驳采用“先加固、后开洞”的措施,实现开洞过程中,加固环梁承担主要的应力分配,保护既有结构的安全。     

1∶1站立式大断面异形盾构管片力学试验系统的研发与应用

异形盾构管片由于特殊的断面型式,在应用到实际工程前须对其承载能力、力学特征和破坏模式进行研究。提出一种1∶1站立式原型异形盾构管片力学加载方法,构建可重构式的钢结构加载和数据采集平台以及基于PLC闭环控制理论的千斤顶液压控制系统。基于该试验系统,研究自重状态和覆土状态下异形管片结构内力和形变特征,揭示浅埋条件下管片结构自重对异形管片内力和形变的影响规律,获得所研究的异形盾构管片极限埋深为18.5 m,并通过对管片结构内外弧面裂缝分布规律的分析,发现了异形管片明显的弯矩传递现象。