盾构隧道接缝密封垫设计及试验研究

针对浙江某地铁盾构隧道直径较大、管片厚度较厚的设计特点,考虑弹性橡胶密封垫与复合型橡胶密封垫的不同断面形式,设计单排孔型、多排孔型及复合型3种密封垫,采用有限元分析、"一"字缝耐水压试验与压缩试验的方法,研究得到适用的最优防水方案。研究表明:①数值模拟结果显示,单排孔密封垫的接触面最大接触应力与平均接触应力均最大,说明其防水能力较好;②"一"字缝耐水压力试验结果说明,密封垫防水能力随着接缝张开量增加而减小,单排孔密封垫的防水能力最优;③压缩试验结果揭示,密封垫压缩力呈现先缓慢上升后迅速增大的规律,其中单排孔及复合型密封垫的拼装难度较小;④综合数值模拟与试验结果,选取单排孔型弹性橡胶密封垫作为接缝防水方案。     

盾构管片接缝防水研究

为探讨盾构隧道管片接缝长期防水性能,分析了橡胶密封垫的防水失效机理,并提出长期防水性能折减系数公式。从结果看：橡胶密封垫老化后加剧了材料的硬化以及接触面状况的恶化,导致接缝间形成渗漏通道,防水性能不断降低。通过所提出防水性能预测公式预测了某盾构隧道管片橡胶密封垫的耐久性能,结果显示预测数据比仅考虑力学性能时减小约12%,说明所提公式在预测隧道渗漏现象及使用寿命时更合理可靠。     

南京长江隧道原型管片结构破坏试验研究

为探明南京长江隧道管片衬砌结构的破坏特征,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统",对其原型管片衬砌结构进行了试验研究.将结构承受的水压力与土压力分离加载,并对大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏特征进行了探讨.研究结果表明:南京长江隧道管片衬砌的破坏主要以弯曲开裂为主;结构裂缝扩展往往伴随着结构变形和纵缝张开量的显著发展;不同拼装方式的结构变形、裂缝扩展与纵缝张开量存在较大差异,与通缝拼装管片结构相比,错缝拼装管片结构变形、纵缝张开量较小,而裂缝扩展较快.     

盾构管片橡胶密封垫断面形式设计及耐久性研究

由于密封垫的使用寿命对今后隧道工程有着重要的工程意义;因此,对比不同密封垫材料的优缺点,根据规范对尺寸的规定,选取合适的盾构管片橡胶密封垫材料(EPDM)和3种尺寸分别进行防水试验。得出的结论是:当橡胶密封垫的接触应力与设计水压力之比K≥1.15时能满足防水要求。针对目前盾构隧道管片接缝弹性密封垫以经验为主的设计思路,提出利用数值模拟手段,将第3种试验产品的耐久性实验所得的数据利用"阿累尼乌斯方程"的"P-T-t三元模型"进行橡胶密封垫使用寿命预测。所得出的结论是:橡胶密封垫在使用100年后其应力保持率为83.3%。第3次试验所用橡胶密封垫的短期防水压力最高达到1.8 MPa,通过计算可知使用100年后该断面尺寸橡胶密封垫的防水压力为:1.8×83.3%=1.5 MPa,满足0.4 MPa的长期防水指标。研究结果表明"阿累尼乌斯方程"的"P-T-t三元模型"能够很好地解决密封垫的使用寿命问题,具有较好的推广应用前景。     

城市过江隧道结构抗震设计研究与工程实践

依托南京建宁西路过江隧道工程,对盾构段和明挖段典型断面在地震作用下的结构内力进行分析。研究结果表明:在100年超越概率10%的地震动作用下,隧道盾构段与明挖暗埋段静力荷载为控制工况,其所产生的内力大于地震工况,依据静力作用效果进行结构配筋可保证结构在地震作用下的安全。隧道结构抗震设计的重点为加强构造措施,包括设置变形缝、合理的钢筋保护层厚度、管片纵缝设置螺栓接头连接、管片环缝采用剪力销等。相关研究成果可为类似工程的抗震与减震设计提供参考。     

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中，盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位，针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征，提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型，然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载，获取隧道最不利区域边界力，最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上，分析纵向接头细部构造受力特征；并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时，盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主，而纵向激励时，则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主；在纵向张开量最大的局部区域，不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况，该局部区域都处于受拉状态，两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响；当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时，最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位，最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.      

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响，基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程，选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况，开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验，从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同，其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力；封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大，管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%；封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显，易出现较大的纵缝张开，而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小，仅为前者的53.3%，且连接螺栓受力减小了54.4%；封顶块位于拱腰时，管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小，管片内部主筋更早进入受拉状态；封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大，在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

越江盾构隧道纵缝张开及收敛变形响应规律研究

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。 研究结果表明： (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), 提高螺栓预紧力不建议成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, 可用于近似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。     

冲孔施工对邻近盾构隧道的影响分析

以深圳地铁某隧道工程为依托,研究了冲孔施工影响下盾构隧道的损伤变形规律。首先,对冲孔施工的振动特性进行分析,并深入探讨了冲击荷载对盾构隧道的影响作用机理;然后,根据非线性动力有限元分析原理,研究得到了冲孔条件下盾构隧道力学响应分析方法与实现步骤,并应用于实例分析。结果显示:冲孔产生的挤土效应创造了盾构管片损伤的客观条件;管片最大拉应力与管体周边超孔隙水压力之间存在一定关联性,孔隙水压力场的剧烈变化是导致管片损伤的重要原因;实例分析结果与管片实际开裂情况较为符合,本文分析方法具有一定可行性和正确性。     

采用纵向等效连续化模型的盾构隧道纵向抗震分析

用与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元来模拟隧道结构的特性,建立盾构隧道纵向等效连续化模型,通过理论解析计算得到盾构隧道的等效拉压刚度和等效弯曲刚度。以软土地层中的盾构隧道为例,考虑地震裂度分别为7度和8度时,正弦位移行波在0°和45°方向上入射,采用反应变位法和动力有限元法,分别得到了隧道纵向上的最大拉、压力和弯矩以及螺栓和管片的受力、变形和接头螺栓的最大张开量。     

水下盾构隧道施工管片上浮控制

以天津地铁3号线13标段盾构穿越新开河为背景,研究了盾构穿越河底粘土层、粉质粘土层条件下的管片上浮控制问题.研究结果印证了粘土、粉质粘土地层条件下注浆扩散跨过渗透注浆阶段,直接进入压密注浆阶段的结论;同时表明：在河底土层为粘土、粉质粘土地层条件下,管片上浮以局部管片上浮为主,局部管片上浮控制的决定性因素为壁后注浆动态上浮力和连接螺栓抗剪力,控制局部管片上浮的根本性方法是控制壁厚同步注浆压力.笔者还提出,盾构穿越新开河河底时,控制管片上浮的注浆压力不超过0.25 MPa,实际注浆压力为0.15~0.20 MPa,并在实践中取得了良好效果.     

基于压缩和油脂逃逸试验的盾尾刷密封性分析

为研究盾尾刷质量问题对盾尾刷密封系统工作性能的影响,基于动态压缩试验与油脂逃逸试验,探讨了盾尾刷长期挤压、磨损程度、砂浆渗入对盾尾刷密封性能的影响机理.首先,通过动态压缩试验,获得各个影响因素下盾尾刷贴合力变化规律;其次,利用油脂逃逸试验获取不同工况下盾尾刷的油脂逃逸量;最后,以贴合力为媒介,将影响盾尾刷质量的因素与油脂逃逸量联系起来,探讨盾尾刷的密封性能.研究结果表明：长期挤压、盾尾刷磨损程度、砂浆渗入等因素对盾尾刷弹性性能的影响显著,尤其是砂浆渗入,盾尾刷弹性性能损失最大可达90%;油脂压力存在一临界压力,盾尾间隙为50、70、90 mm的临界油脂压力分别为0.4、0.3、0.2 MPa,低于临界压力时油脂逃逸量极少,超过临界压力时油脂逃逸量陡增,油脂压力增加0.1 MPa,油脂逃逸量增加4倍以上;在盾构平均盾尾间隙（70 mm）条件下,当保护板磨损超过1/2与砂浆渗入比超过10%时,油脂逃逸将超过工程容许上限.     

超大盾构始发洞门密封技术

洞门密封施工是确保盾构安全始发、正常掘进的关键环节之一,南京长江隧道作为超大直径盾构隧道,盾构始发技术难度大,安全风险突出。工程实践中采用预埋密封钢环、橡胶帘布密封、二次密封及注高分子堵漏材料等技术措施确保了盾构安全始发,对今后类似工程的施工有较好借鉴意义。     

盾尾密封油脂性能评价方法研究

针对盾构施工的日益普及,盾尾密封油脂在盾构隧道建设中需求不断增大的背景,分析了盾尾油脂密封原理,概括了施工中所用盾尾油脂类型及其性能要求,研究了盾尾油脂的耐水压密封性、挥发性和泵送性测试方法,为进一步规范盾尾油脂性能评价标准提供了参考。     

盾构隧道纵向地震响应分析

为了探讨盾构隧道的纵向地震响应特性，采用地层一隧道整体三维有限元模型，对武汉长江越江盾构隧道的地震响应进行了分析，主要研究了合理的盾构隧道力学模型、隧道与地层之间的相互作用以及隧道的振动特性．通过隧道与地层的整体分析，得到了盾构隧道位移和应力的分布及其随时间的变化曲线．计算结果表明：压缩波引起的纵向拉、压应力和剪切波引起的扭曲变形是隧道抗震设计的关键．     

类矩形盾构隧道衬砌结构设计模型研究

为了得到适用于类矩形盾构隧道结构设计模型,通过整环足尺试验模拟类矩形盾构隧道在正常运营工况下的实际受力,得到试验结构的变形和内力,采用等效刚度模型和梁-弹簧模型对试验结果进行分析,得到有效的类矩形盾构隧道结构设计参数. 结果表明:采用等效刚度模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,难以得到同时符合结构长短轴变形的管片刚度折减系数;采用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,结构变形和结构内力计算结果和足尺试验结果较为匹配,能真实反应类矩形盾构隧道结构受力,选用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型更为合理,所研究类矩形结构管片接缝的抗剪刚度建议为341 × 106～368 × 106 N/m;负弯矩接缝抗弯刚度建议为114 × 106～491 × 106 N?m/rad,正弯矩接缝抗弯刚度范围为85 × 106～177 × 106 N?m/rad.      

上海某越江盾构隧道的地震响应分析

以上海某越江盾构隧道为例,采用二维动力有限元模拟的方法,分析了地震荷载作用下盾构隧道的动力响应,得到了在7度地震作用下,地表土体、隧道周围土体的动剪应力比、动孔压比以及水平方向的加速度.除此之外还得到地震荷载作用下隧道结构、轨道梁的动剪应力,得出了一些具有实际意义的结论,为以后的盾构隧道的设计和施工提供参考.     

盾构隧道联络横通道的振动台试验与数值模拟

联络横通道与隧道主体形成的空间交叉结构是隧道抗震的薄弱环节. 为探讨联络横通道采用刚、柔两种连接形式时对盾构隧道地震响应的影响，以相似理论为基础，通过室内土工试验确定了振动台试验中地层和结构相似模型的材料参数及配比，分别建立了振动台试验结构模型和数值分析模型；将第1组试验得到的地层卓越频率15.0 Hz作为其余试验工况和数值计算中地震动频率的输入依据，通过试验和数值计算相结合分析的方法对主隧道与联络横通道的地震响应规律进行了研究. 研究结果表明:结构与相同深度位置地层的加速度响应变化规律基本相同，离地面越近，地层加速度的放大效应越明显；联络横通道采用刚性连接时，其最大应变反应出现在结构的拱顶和两侧拱脚处，而采用柔性连接可较好的降低结构各处的应变反应，且输入地震峰值加速度越大其减弱效果越明显；主隧道横断面上，靠近联络横通道连接处的位置易受其影响而产生应力突变，采用刚性连接时，其受到的影响更大；振动台试验与数值结果规律基本一致，采用刚性连接时，联络横通道对主隧道纵向的影响范围约为3.0倍联络横通道宽度，而采用柔性连接时其影响范围则减小至1.5～2.0倍.      

水域沉管隧道地震响应的影响因素分析

为分析隧道接头和上覆水对沉管隧道地震响应的影响，采用沉管隧道振动台试验和ADINA有限元软件模拟两种方法进行相关研究. 沉管隧道试验模型材料主要为微粒混凝土，模型缩尺比为1∶30，采用层叠剪切箱装填砂土构成场地，采用黏弹性人工边界和等效荷载输入方法对模型进行仿真分析. 研究结果表明:在同一深度土层，柔性接头沉管隧道的土层加速度放大系数小于刚性接头沉管隧道；当土层发生液化时，其加速度放大系数小于1；当沉管隧道接头剪切刚度（G）减小为0.10G和0.01G时，隧道截面剪应力减小20%和33%，截面轴应力峰值最大值减小16%和30%，截面剪应变峰值分别增加了60%和140%；上覆水使场地加速度放大系数变小，是由于水的存在加大了土层表面的阻尼；在P波作用下，上覆水水深从10 m增长到40 m时，沉管隧道截面剪应力峰值、轴向应力峰值和应变峰值最大值分别以3%～5%、30%～40%和12%～17%的幅度增加.