不同接触并存的管片接头力学分析

大型管片接头接缝面趋于复杂化，使得接头受力和变形也将有复杂反应。采用能模拟接头复杂特性的管片接头力学模型，对管片接头在同一接缝面上并存的2种不同接触情况进行力学分析。研究表明： 1）当外侧缝隙量适当增大时，能延缓管片接头混凝土压溃，提高接头破坏弯矩的水平，并促使破坏形式从混凝土压溃的脆性破坏向螺栓屈服的塑性破坏变化，对结构设计有利； 2）当接缝面中部夹填适当厚度的局部承压衬垫时，弯矩与转角关系曲线趋于直线形，抗弯刚度水平没有明显下降，接缝张开量也没有增大，接缝面中部区域承压始终较充分，对防水有利； 3）当同一接缝面上的2种接触的尺寸或材料选取不当时，会引起接头性能明显下降，需谨慎设计。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯刚度取值研究

为找到一种便于工程应用的管片接头抗弯刚度取值方法，采用考虑管片接头复杂结构形式、混凝土非线性材料特性以及接缝面复杂接触传力特点的大断面管片接头抗弯分析力学模型，对广深港狮子洋隧道和南京长江隧道2座典型大断面隧道的管片接头抗弯刚度Kθ进行计算； 基于所得到的抗弯刚度Kθ的非线性变化规律和数据分析方法建立抗弯刚度取值经验公式，并开展接头抗弯足尺试验对取值结果进行验证。结果表明： 1）当接缝轴力不变时，抗弯刚度随弯矩的增大表现出明显的非线性变化规律，由接触上升段、线性下降段以及非线性下降段组成； 2）抗弯刚度与轴压比的作用关系曲线近似为线性； 3）抗弯刚度与偏心距的作用关系中分为正常使用状态下的小变形区以及伴有混凝土压碎、螺栓屈服特征的大变形区，其抗弯刚度-偏心距关系曲线可分别近似为直线和抛物线； 4）抗弯刚度经验公式的计算结果与接头抗弯足尺试验结果的相符度较高，表明该取值方法合理且计算准确度较高。     

管片接缝螺栓孔外侧双道密封垫合理布置型式研究

目前普遍使用的单道三元乙丙橡胶密封垫防水型式无法满足水下盾构隧道管片接缝防水新要求,而既有的双道密封垫防水体系受螺栓孔防水性能的限制无法充分发挥其应有的防水性能。依托江阴靖江长江隧道,提出将双道密封垫均放置于螺栓孔外侧的新型防水体系,并结合设计对比分析双层密封垫连续布置和间隔布置2种型式的防水性能。基于不同的沟槽布置形式,设计可更换内胆的T字缝耐水压测试设备,并开展室内物理模型试验,研究结果表明： 1）螺栓孔外侧连续布置的双道密封垫的防水性能表现不佳; 2）在讨论连续布置双道密封垫的匹配策略时,发现“外主内辅”对整体防水性能有2.02%的提升,“外辅内主”则导致整体防水性能下降4.71%; 3）较单道密封垫,螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水体系的整体防水性能可提升9.68%~16.13%。     

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性     

纯压弯受力下大断面盾构隧道管片接头抗弯足尺试验研究

针对管片接头抗弯试验中接头是否处于纯压弯受力状态影响试验结果准确性问题，设计一套可使接头具有较大转动角度、保证其处于纯压弯受力状态的抗弯加载装置，并开展一系列不同轴力和弯矩下接头抗弯性能试验，试验中采用差动式位移计和应变传感器等对接头变形和螺栓应变进行测量。基于试验结果得出： 1）接头处于纯压弯受力状态时，正负弯矩下管片接头竖向位移、张开量、闭合量、转角、螺栓应力随弯矩变化的曲线较为平顺； 2）正弯矩下接头张开高度随弯矩变化可分为2个变化阶段，而负弯矩下受接缝面复杂变形接触关系影响，在上述2阶段变化规律之间出现了明显的“平台段”； 3）接头采用斜螺栓连接时，[JP2]正弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响大于负弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响，且正负弯矩下抗弯性能的差异随着轴力的增大而减小。     

盾构隧道管片接缝密封垫区域平衡优化方法

当前中国盾构隧道接缝密封垫设计多采用工程经验及类比方法，常需借助防水试验及大量的数值仿真进行优化设计，缺乏理论支撑。为提高密封垫的防水性能，同时降低密封垫的压缩反力以提高盾构隧道的拼装效率，提出了基于功能区划的盾构隧道管片接缝弹性密封垫设计方法，该方法通过力学分析，将单个密封垫横断面划分为3个功能区块，对其进行数学离散，并在几何边界条件的规定下，建立了单个密封垫力学平衡模型及考虑正常压缩与错位压缩情况下的密封垫简化力学模型。依据模型对密封垫进行优化设计，针对2种密封垫采用有限元方法进行数值分析，通过对压缩反力曲线、接触面应力等对比，分析2种形式密封垫的差异，并结合在最不利工况下进行的试验，通过对比两者的防水水压，验证设计方法的可行性。结果表明：通过调整接缝密封垫孔型能达到在不影响接触应力的条件下改变密封垫闭合压力的目的，开孔率及材料硬度对接缝密封垫受力影响较为一致；该设计法理论能够实现较好的优化效果，优化后的密封垫能够平衡各渗水路径的接触面应力及在不影响密封垫防水能力的前提下降低密封垫压缩反力。所提出的方法通过了数值分析及试验验证，可用于密封垫的初步选型与分析。     

武汉长江隧道管片接缝防水密封垫设计与试验研究

盾构隧道管片接缝防水是隧道防水的关键,直接影响到隧道的防水效果和隧道的耐久性。采用国内外理论与实践经验,进行管片接缝防水密封垫初步设计,然后模拟施工极限装配误差,对初步设计进行防水性能与装配性能实验。根据实验结果对防水密封垫断面尺寸与结构形式及材料进行优化,并最后确定最优的防水密封垫设计。因此,对于管片接缝密封垫设计,通过防水性能与装配性能实验优化设计应该成为设计中的重要步骤,对保证管片密封垫防水性能及管片拼装质量具有重要的意义。     

强震作用下大断面海底盾构隧道管片环缝防水性能

为探明强震作用下导致的盾构隧道管片接缝大张开情况下的防水性能,以在高烈度区修建的大断面海底盾构隧道——苏埃通道工程为依托,通过有限元数值分析建立纵向等效刚度模型及隧道全长震动分析模型,确定了高烈度区强震作用下管片环缝的震动张开量,并根据张开量的大小类比既有大断面盾构隧道防水标准,建立了高烈度区强震作用下大断面盾构隧道环缝防水指标;通过接缝防水试验,优化了密封垫及沟槽截面尺寸,并据此提出了强震作用下的大断面海底盾构隧道管片环缝防水的合理形式。结果表明:强震作用时三段硬岩凸起处、接收井处及多地层交互处环间接缝张开量显著大于其他区段,其环间张开最大值远大于既有大断面盾构隧道的张开量,应对此类区段采取特殊的抗震措施,降低环缝张开量;仅增加密封垫的厚度达不到强震条件下的防水要求,并且密封垫的压缩应力会急剧提高,于管片拼装不利,同时提高密封垫截面并加深密封垫沟槽可提高抗水压能力,且密封垫的压缩应力能达到一个合理值,不影响管片的拼装效率。研究结果可为苏埃通道工程及类似工程的管片接缝防水设计提供参考。     

盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题，以苏通GIL工程管片接头为研究对象，建立三维精细化接头数值模型，模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力，采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性，进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律，与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度； 2）正负弯矩作用下，无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形，正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关，负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变； 3）接头采用斜螺栓连接时，正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝密封垫形式试验研究

为使接缝处弹性密封垫在张开8 mm、错位10 mm的情况下仍能满足1.2 MPa高水压长期防水性能设计要求以及保证盾构拼装能力,对采用双道耐高水压密封垫的上海市深层排水盾构隧道工程接缝防水密封垫断面形式进行设计。对不同断面密封垫进行防水性能以及闭合压缩力数值模拟,通过对比分析、不断优化,得到防水和力学性能较优的密封垫断面形式,并进行管片接缝防水性能试验和闭合压缩力试验。试验结果表明:采用推荐断面形式的密封垫在邵尔A硬度为67度时,在精确装配下和接缝张开8mm、错位10 mm的情况下均满足1.2 MPa的长期防水能力要求,且适应盾构的拼装能力。     

盾构隧道管片密封垫防水失效模式及改善研究

为探究盾构隧道防水失效形态、接缝密封垫失效模式及密封垫防水能力改善方法，首先基于统计资料，分析在建盾构隧道渗漏的宏观形态； 其次利用ABAQUS软件建立二维模型，采用平均接触压力作为评价指标，分析盾构隧道管片接缝处于不利工况下的失效模式； 最后结合橡胶硬度参数、密封垫孔洞参数调整，研究密封垫防水性能改善方法。主要得到如下结论： 1）错缝拼装盾构隧道渗漏的主要形态是管片接缝渗漏，且多发生在T字缝。2）对密封垫防水危害最大的是管片接缝张开和外张角，且渗漏均发生在密封垫与密封垫接触面。3）密封垫垫间平均接触压力与橡胶硬度呈线性正相关； 从密封垫垫间平均接触压力的保持效果来看，调整闭合孔的效果最好。     

盾构隧道管片接缝密封垫防水技术的现状与今后的课题

在追溯盾构隧道接缝防水密封垫的技术发展历程的基础上,通过对防水密封垫材质选用与加工方式,弹性橡胶、遇水膨胀橡胶及复合橡胶密封垫各自的功效及其在不同隧道类别、不同使用条件下的应用,单道密封垫与双道密封垫设置的评价等反映密封垫防水技术的现状,进而提出劣质密封垫或受损密封垫取代、管片接缝密封垫的设计与应用等研究课题。     

盾构隧道管片接缝复合型密封垫选型设计研究

为研究盾构隧道管片接缝复合型密封垫中遇水膨胀橡胶块对其防水性能的影响，从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发，提出基于遇水膨胀橡胶块几何尺寸及截面形式的复合型密封垫选型设计方法。利用该选型方法对中孔通用型复合密封垫进行数值选型分析，采用ABAQUS网格间求解变换技术，研究不同遇水膨胀橡胶块截面类型和尺寸对复合型密封垫防水性能的影响，得到复合型密封垫防水性能和压缩性能的变化特征，确定原复合型密封垫的最优化选型结果。结果表明： 1）考虑遇水膨胀橡胶的防水性能后，复合型密封垫的二次防水性能有所提高； 2）与六边形截面形式的遇水膨胀橡胶块相比，梯形截面形式的遇水膨胀橡胶块能够大幅提升中孔复合型密封垫的防水性能； 3）复合型密封垫的压缩量与压缩力的关系呈现出阶段性变化特征，变形较小时表现为线性关系，随着变形逐步增大逐渐过渡为非线性关系。     

不同错台量对复合型密封垫影响及长期防水预测

为研究盾构隧道管片接缝不同错台量对复合型密封垫防水性能的影响,从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发,在不同错台量条件下分别从密封垫-密封垫接触面和密封垫-密封槽接触面2 个方面分析复合型密封垫防水渐进失效机制,同时基于阿累尼乌斯方程的“P-T-t”三元模型对复合型密封垫长期防水性能进行预测。研究结果表明: 1) 复合型密封垫遇水膨胀橡胶块发生膨胀作用,能够有效增加密封垫间接触面应力,并且密封垫渗漏处主要出现在密封垫与密封垫接触面上; 2) 对于密封垫与密封槽接触面防水能力,随着接缝错台量的增大,对遇水膨胀橡胶块膨胀作用的影响显著; 3) 管片接缝间的张开量和错台量对复合型密封垫的长期防水性能影响显著,并且复合型密封垫长期防水性能随着老化时间先急剧下降后达到平稳状态。     

考虑密封垫表面工作状态的盾构隧道接缝防水能力数值模拟研究

针对目前施工中盾构隧道防水密封垫经常出现粘贴不牢、沾水、不涂抹润滑剂等情况，构建了密封垫防水能力数值计算模型，将数值方法计算结果与常规计算结果进行对比，并对密封垫在底部与管片槽口粘贴、密封垫顶部涂抹润滑剂及沾水等多种工作状态下的防水能力进行研究。结果表明： 1）计算时是否考虑密封垫表面工作状态导致的闭合压缩力、平均接触应力结果差异分别为3.3%、23.9%，因此考虑表面工作状态的密封垫防水能力评估较为合理； 2）由于粘贴效应约束了密封垫底部的横向变形，其因此闭合压缩力及平均接触应力均大于不考虑底部粘贴效应的计算结果，影响值范围分别为31%~199%、0~245%； 3）密封垫顶部涂抹润滑剂能够减小闭合压缩力、增加接触面平均接触应力，影响值范围分别为4.7%~19.9%、6.5%~111%； 4）密封垫沾水时，闭合压缩力降低29.1%, 接触面平均接触应力降低8.7%； 5）在长期工作情况下，由于密封垫表面接触状态的变化，其平均接触应力整体呈下降趋势，最终下降约23.9%。     

考虑击穿水压的双道密封垫防水机制研究

为研究盾构隧道双道密封垫在防水性能提升上的效果，首先定性分析双道密封垫的防水机制，给出击穿水压概念以及基于弹性力学的密封垫击穿水压数值估算公式； 然后开展双道密封垫试验，对击穿水压数值进行验证，得出影响双道密封垫防水性能的一些因素。研究结果表明： 1）当外界水压大于外道密封垫初始防水能力的1.36倍时，密封垫被完全击穿，丧失残余防水能力； 2）不同的密封垫布置方式会影响双道密封垫的防水能力，在双道密封垫的实际应用中，需要将防水能力更强的密封垫布置在外侧，且双道密封垫的防水能力差距不宜过大； 3）沟槽的结构和尺寸会影响密封垫的防水能力； 4）无论是单道密封垫，还是双道密封垫，无错位量密封垫的防水压力远大于有错位量密封垫的防水压力，因此施工中应采取措施尽量减少错位量。     

盾构法联络通道密封垫设计及防水试验研究

为探究适合盾构法联络通道工程的密封垫断面形式，以宁波市轨道交通3号线第1条盾构法联络通道为工程背景，针对遇水膨胀橡胶设计阴阳凹凸、圆形孔洞、梳形、矩形等4类断面。对各断面形式进行可行性分析，选取阴阳凹凸断面与矩形断面作为初选方案。利用Abaqus/Explicit计算模块对2种断面的接触应力进行有限元分析，通过设计“一”字缝耐水压力试验，验证数值模拟中接触应力较大的矩形断面的防水能力。研究表明： 1）数值模拟结果显示，接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小； 同等张开量与错台量下，在压缩与膨胀2个阶段中，矩形断面的接触应力均大于阴阳凹凸断面，因此选取矩形断面作为备选方案。2）“一”字缝耐水压力试验结果表明，矩形断面密封垫保压48 h后耐水压力明显提升，且张开量越大耐水压力提升幅度越大。3）综合数值模拟与试验结果可知，该矩形断面密封垫满足0.6 MPa的防水要求。     

盾构隧道管片接头嵌入式密封垫防水性能探究

为解决传统密封垫易于与混凝土管片胶结处发生渗漏水的问题，对新型嵌入式密封垫的防水性能进行研究。与传统的现场粘贴防水橡胶密封垫的工艺不同，嵌入式密封垫是将密封垫与混凝土管片整浇预制。采用模型试验和有限元数值模拟方法，对隧道接头中嵌入式密封垫的防水能力进行分析和论述。研究结果表明： 文中所涉截面形式的嵌入式密封垫在控制工况，即张开量7 mm、错缝量10 mm的情况下，满足上海深层排水调蓄隧道0.6 MPa的耐水压力要求，且弥补了传统密封垫易从密封垫与混凝土接触面渗漏水的缺陷。此外，通过在密封条两侧设置凹槽，可有效减小密封垫脚部与混凝土间接触应力，减少局部应力集中，保证混凝土管片的完整性，提高接头防水能力。