超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析

介绍了三车道公路超大断面越江盾构隧道结构的详细设计过程,包括内净空布置、衬砌结构形式与厚度、管片分块和幅宽以及拼装方式等;采用梁-弹簧模型模拟管片衬砌结构,并借助于有限元数值模拟方法进行了隧道结构的力学特性分析。结果表明:在不同的拼装方式下,管片衬砌结构的力学特性是不相同的;通缝拼装时,管片结构的变形较大,弯矩最小;错缝拼装则相反,轴力变化不大;同是错缝拼装,随着K块位置的不同,其力学特征也不相同。     

砾砂层盾构隧道管片拼装与封顶块位研究

地铁盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,在富水性强、结构松散、不稳定的砾质砂层中,由于拼装方式的不同会引起管片结构的变形与内力变化。鉴于此,以某地铁区间隧道为工程背景,对管片在通缝与错缝拼装条件下结构内力分布及竖向位移的变化开展有限元模型计算的对比研究,并提出了管片封顶块位的优化措施。研究结果表明:在砾砂层中,错缝拼装竖向位移小于通缝拼装,内力大于通缝拼装,主要原因是错缝使管片的整体刚度得到了提高,在设计时应优先选用错缝拼装,且当封顶块位于拱腰时,管片的力学性能最好。该研究结果可为类似地层的地铁盾构隧道的设计、施工和相关研究提供参考。     

盾构区间隧道与连接通道连接处的三维受力分析

从盾构隧道管片衬砌结构和接缝接头的变形特点、衬砌结构与土层相互作用的模式出发,考虑盾构区间隧道和连接通道的施工工艺特点、结构的对称形状等,研制了适用于此种特殊受力结构体系的三维广义协调平板壳-弹性铰-地基系统计算模型,该模型可以考虑盾构隧道管片衬砌结构的错缝拼装或通缝拼装情况、衬砌结构和接缝之间的不连续性、接缝接头能承受一定弯矩的特点以及衬砌结构和土层的相互作用等。并对某越江盾构隧道工程进行了计算分析,为工程初步设计方案优化提供了较好的参考。     

盾构隧道管片衬砌拼装效应局部原型结构加载试验

针对盾构隧道块体间由于拼装咬合引起局部结构刚度分布不均匀,从而导致结构受力与变形不同于均质连续管状结构体的现象,采用自主研发的局部原型结构加载试验系统装置,分别选取盾构隧道管片衬砌结构中的原型单体管片与考虑前后环错缝拼装组合的原型管片衬砌局部构件进行加载试验,对比分析了其受力特征的差异,并探讨了不同轴压比、偏心距以及螺栓初始预紧力下管片结构受拼装效应的影响规律。研究结果表明:单体管片工况下,结构受两侧支座的影响较大,沿结构环向其内力、变形分布均极不均匀,沿幅宽方向,内力呈对称分布,中部大、两侧小,竖向位移基本保持不变;考虑前后环错缝拼装组合工况下,结构受两侧支座的影响较小,沿结构环向,其内力、变形对称分布,较单体管片更为均匀,沿幅宽方向,内力、变形的变化规律与单体管片基本一致;偏心距对结构弯矩的影响大于轴力,不同偏心距下,轴力调整系数α在-0.04~0.02之间,弯矩调整系数β在0.17~48之间;螺栓初始预紧力仅对构件纵缝截面的轴力影响较大,对α和β的影响较小;拼装效应能显著降低结构受两侧支座的影响,对管片的受力变形起到较为明显的传递和重分配作用,使其对称均匀化。     

南京长江隧道管片衬砌结构原型加载试验

以南京长江隧道工程为依托,采用自主研发的“多功能盾构隧道结构体试验系统”装置,实现了对盾构隧道原型管片衬砌结构承受水压力与土压力的分离加载模拟,对南京长江隧道原型管片衬砌结构分别在通缝和错缝拼装方式下进行了原型加载试验.研究了不同荷载条件对管片结构力学特征的影响,并对不同拼装方式下管片结构的内力分布特点及错缝拼装方式下目标管片内力沿幅宽的分布规律进行了探讨.研究结果表明:在弹性状态下和结构开裂后,通缝和错缝拼装管片结构力学特征变化显著,错缝结构对于内力、形变及纵缝张开量等发生突变的控制更有效.     

纵向力对盾构隧道管片结构内力分配机制的影响分析——以苏通GIL电力管廊隧道工程为例

为探明施工过程中,不同纵向力及竖向荷载作用下,中间管片与两侧持环管片结构位移与内力分配的变化规律,以苏通GIL电力管廊隧道工程为背景,采用有限元方法建立局部错缝拼装管片结构模型,对目标管片在拱顶位置受拱顶竖向均布力荷载作用下弯矩与位移的分配规律进行研究,引入环间位移分配系数与弯矩分配系数揭示在不同纵向力作用下目标管片环间弯矩与位移的分配规律,揭示纵向力与环缝接缝张开量的对应关系,探明错缝拼装管片结构弯矩与位移的分配机制。结果表明:1)纵向力能够增加管片结构弯矩与位移的分配能力,有利于结构整体受力以及位移的整体协调性,其对结构内力分配的影响表现为非线性及阶段性,即当环间不产生接缝张开时,纵向力的增加对结构整体性影响较小;当环间产生张开量时,纵向力的增加在一定程度上增强了管片变形及内力的分配能力。2)纵向力使目标管片与两侧管片环缝完全接触,此时控制内力分配的主要因素为环缝接触面;直观控制因素为环缝张开量与错台量,随着环缝的张开,局部结构内力逐渐由通过接缝面传递变为通过凹凸榫传递,同时结构整体内力分配能力降低。3)常规荷载作用下,随着竖向拱顶荷载增加,当环缝凹凸榫接触后,结构内力的分配逐渐趋于某一稳定值。4)实际工程中出现纵向力损失后,由于内力的重新分配,结构会出现局部位置应力集中情况,需针对该实际工况予以特殊考虑。     

盾构隧道管片设计控制内力和变形分析

针对城市双车道公路盾构隧道，设计了一种9块分管片。采用结构一荷载模式并借助于有限元法进行了盾构隧道管片结构的力学分析，得到控制管片结构设计的内力和变形值，为管片结构的配筋设计和变形验算提供依据。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

盾构法隧道管片环缝面不平整对结构受力影响研究

为了解环缝面不平整导致管片产生渗漏裂缝的具体影响,对衬砌环不同错缝拼装角度、环缝面不同传力方式、环缝面不同不平整度等因素对管片纵向受力及开裂的影响进行研究。主要研究结论如下: 1)因管片制作尺寸误差不可避免,设计中必须考虑环缝面不平整对管片结构受力的影响。由环缝面不平整产生的纵向不均匀接触荷载既可能是施工荷载,也可能是使用阶段的一个可变荷载。2)因管片环缝面不平整产生的纵向荷载与衬砌环分块、拼装方式及传力方式等有关,1/3 或1/4 标准块错缝拼装角度产生的最大纵向荷载要大于1/2 标准块错缝拼装角度,凸台传力方式产生的最大纵向荷载要大于垫片传力方式。当管片分块与拼装方式相同时,凸台传力方式更容易使管片产生开裂。3)在采用最不利纵向荷载时,建议取1. 0Δ(Δ 为环宽允许偏差)作为环缝面不平整度设计值,计算所得管片纵向弯矩与管片横向内力组合后按双向偏压构件对管片进行配筋,且纵向弯矩产生的裂缝开展宽度不应大于0. 1 mm。     

破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构承载性能与变形控制指标

为确定破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构变形控制指标,考虑顶部堆载、侧向卸载2种常见荷载工况,开展了错缝拼装盾构隧道承载性能演化规律研究。首先,基于接头刚度等效原则提出了不设传力衬垫的管片接头简化模拟方法,通过与相关文献实测数据对比螺栓轴力计算结果,验证了该方法具有一定合理性和适用性;其次,基于接头简化模拟和荷载结构法进行了隧道结构承载性能数值模拟,分析了管片承载状态随断面变形的发展规律;最后,根据管片承载状态临界点,提出盾构隧道结构安全等级划分方法和断面变形控制指标。研究结果表明:2种工况下管片承载构件屈服顺序存在差异,顶部堆载工况下屈服顺序为拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰内侧混凝土,而侧向卸载工况下为拱顶、拱底纵缝螺栓,拱腰外侧钢筋,拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰螺栓;考虑隧道耐久性、承载安全性以及结构加固时机,堆载工况下断面变形椭圆度控制值分别为0.712%、1.694%、2.156%,卸载工况下分别为0.876%、1.873%、2.757%。     

考虑收敛变形的通缝拼装盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算分析

为了研究运营地铁通缝拼装盾构隧道长期沉降过程中衬砌结构横向变形对其纵向变形和受力的影响,基于上海轨道交通8号线西藏北路站—中兴路站运营盾构隧道现场试验监测数据,对等效连续化模型进行修正,考虑隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算方法进行对比分析。结果表明:1)弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。2)结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。3)在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

基于螺栓-凹凸榫连接的地铁盾构隧道管片环缝接头刚度分析及应用

为研究盾构隧道纵向计算模型中螺栓-凹凸榫型式环缝接头刚度的非线性力学特性,分别建立管片环缝张开与错台模式下的环缝接头计算模型,通过分析不同环缝变形状态下接头连接构件力学特征,得到环缝抗拉和抗剪刚度的非线性规律;环缝接头采用非线性抗拉、抗剪弹簧模拟,构建基于三维实体-非线性弹簧单元的盾构隧道纵向沉降计算模型,并将其用于评价地面堆载对厦门地铁2号线滨海区段管片结构安全的影响。结果表明,对于外径6. 7 m、内径6 m、环宽1. 5 m、环缝由M30螺栓连接的盾构隧道:1)环缝张开超过1. 78 mm时,接头抗拉刚度降低为设计值的1%;张开超过10. 2 mm时,可认为抗拉失效。2)环缝错台小于6 mm时,抗剪刚度基本不变;错台超过9. 7 mm后,抗剪刚度降低至约为设计值的25%;错台超过30 mm时,可认为抗剪失效。3)隧道轴线方向的地表超载范围为d,管片纵向变形受影响范围为±3d,轴线50环管片差异沉降小于23 mm时,可满足曲率半径不小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》控制值15 000 m。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

水下圆砾地层盾构隧道施工期力学响应实测研究

为研究水下圆砾石地层盾构隧道施工过程中管片结构的力学响应，以常德沅江隧道为背景，选取沅江东线隧道江中埋深最大断面，采用连续测量方式对施工过程中管片的内力变化特征及管片外水压力进行测试，并将实测数据与数值模拟结果进行对比分析。主要结论如下： 1）水下圆砾地层中盾构隧道管片结构外部水压受施工过程的影响显著，距开挖面1~10环呈波动变化，沿横断面不同位置出现最大值的时间不同，但在10环之后趋于稳定； 2）管片结构轴力受到脱环和注浆的影响明显，其中前3次注浆的影响最为显著，影响范围为1~9环，弯矩变化与轴力类似，但受注浆影响较轴力延迟1环左右； 3）稳定后管片轴力和弯矩量值均大于数值计算值，说明稳定后管片受盾构顶推、浆液固结、错缝拼装效应影响较大。     

盾构法T接隧道结构受力足尺试验研究

在盾构法施作联络通道的过程中，由于主隧道的结构体系发生变化，衬砌内力发生重分布，对主隧道结构稳定不利。为了解结构安全性以及结构响应，开展盾构法联络通道的结构受力足尺试验进行模拟。试验采用7环管片错缝拼装进行模拟，在模拟真实水土压力荷载后，通过运用盾构直接切削管片，模拟真实盾构法联络通道施工过程中的出洞过程，得到如下结论： 1）通过模拟的方法得出该工法施工过程中的关键工况节点； 2）通过模拟得出隧道在整个切削过程中各环的收敛变形整体性较好，工法是安全的； 3）试验过程中，除切削位置以外的其余位置发生内力重分布，内力重分布的过程与工况变化过程息息相关。     

大直径盾构隧道斜螺栓环缝抗剪特性研究

以大直径盾构隧道施工过程中管片上浮错台问题为背景,研究大直径盾构隧道环缝结构的抗剪特性,从结构承载力角度提出有效且可控的抗浮措施,并深入探究环间错台对隧道结构的影响,以确定大直径盾构隧道环间变形控制标准,减小隧道环间错台引起的管片损伤。以深圳妈湾跨海通道为依托,基于材料塑性损伤本构,考虑管片接缝细部构造,根据相关管片环缝剪切原型试验对接缝抗剪数值模拟方法的有效性进行验证。随后,利用数值模拟研究了环向接缝顺剪、逆剪和切向剪切时的错台现象和破坏特征,分析了斜螺栓、凹凸榫对环缝抗剪特性的影响,为大直径盾构隧道环缝结构的抗浮设计和安全评价提供依据。研究表明:环缝剪切错台数值计算结果与试验结果吻合良好,能够有效揭示接缝剪切过程中结构的变形特点和损伤特性;环缝接缝的剪切错台过程较为复杂,呈阶段性特征,螺栓和凹凸榫的受力状态是决定接缝抗剪特性的关键因素;凹凸榫能显著提高接缝抗剪刚度和承载力,但也带来接缝应力集中和张开过大等问题,设计和施工过程中需充分考虑接缝刚度和变形的适应性;基于环缝错台损伤分析,提出了环缝变形的三级安全评价指标,大直径盾构隧道接缝变形必须控制在Ⅱ级以内,以保证隧道的结构安全和正常使用性能。     

水下圆砾地层盾构隧道施工荷载实测及其力学响应研究

为研究水下盾构隧道穿越圆砾地层时管片结构施工期间受力的影响因素,以常德沅江越江隧道为依托,选取东线隧道水头最高位置对应的管片环,采用连续动态测量,提取管片从拼装完成至盾构远离过程中管片结构内力和地层水压力,并提取盾构施工中同步注浆压力和盾构顶推力,与管片内力数据进行对比分析,得出施工过程中影响内力变化的因素。主要结论有:1)同步注浆对管片内力的影响较为显著,且主要通过对地层水压力的影响来实现,其中,脱环后前3次注浆对管片内力影响最为显著; 2)顶推力对管片内力产生一定的影响,且主要通过对管片纵向受力的影响来实现,顶推力对内力产生负向影响; 3)管片受力稳定后,环向轴力稳定在3 700～5 000 k N,弯矩稳定在-200～200 k N·m,纵向轴力稳定在0～2 500 k N,整体呈现出轴力大、弯矩小的状态,管片健康程度较好。     

错台对盾构管片纵缝压弯力学性态的影响

管片错台是盾构隧道的常见病害,严重危害了隧道的安全及耐久性,但关于错台对管片结构力学性能的影响研究还不充分,其发生机制尚不明确。采用足尺试验和数值模拟研究了错台对管片纵缝抗弯性能的影响。首先,针对错台管片接缝试件进行正负弯矩下的足尺压弯试验,建立并验证了考虑混凝土损伤的三维精细化错台接缝数值模型,综合试验数据和数值结果,总结了错台纵缝的破坏过程和破坏特征;然后,开展不同错台量工况下隧道纵缝的数值模拟计算,分析了不同错台量对管片接缝力学性态的影响。结果表明：错台管片接缝的破坏过程可分为5个阶段,阶段间的4个特征点分别为螺栓开始受力、管片明显损伤、管片顶部闭合和接缝破坏。错台对正弯矩接缝力学性能影响较小,但对负弯矩接缝抗弯能力影响明显,极限负弯矩承载力下降11.7%,第1阶段刚度下降22.8%,并且两者均随错台量的增加而线性减小。相对于无错台工况,错台接缝会引起螺栓对螺栓孔混凝土过度挤压,使其出现严重压溃,且负弯矩下管片内侧受力不对称导致受压损伤加剧,会提前形成因开裂导致的渗漏水通道。因此,在隧道运营阶段,应根据错台量正确预估接缝的承载力,并考虑错台可能引起的局部混凝土压溃等混凝土病害及二...     

沉井式预制拼装结构壳-接头模型的三维数值模拟

为了能够实现机械化竖井作业以及提高竖井施工的预制装配率,垂直竖井自动挖掘法（VSM工法）在国外许多国家开始了应用。以东方路竖井式地下停车库为背景,考虑实际管片间的接缝与错缝拼装效应,建立沉井式预制拼装结构接缝的4环壳-接头模型,并利用已有的矩形管片接头试验进行模型验证。重点研究分析在正常使用工况下3种计算位置处各环的内力分布情况、整环水平径向收敛以及纵缝相对变形等。结果发现： 考虑接缝与错缝拼装的4环壳-接头模型计算出的管片环弯矩比不考虑接缝管片环弯矩的结果要小,轴力相差不大,管片环内呈现出较为明显的径向收敛差异,使得变形类似于“圆台”状。