盾构隧道管片结构设计中几个问题的探讨

由于国内盾构隧道结构现有计算方法考虑因素不全面、部分计算方法不合理,造成盾构管片配筋量偏大,对管片预制及工程造价都带来了很大影响。为提高现有盾构隧道结构设计方法的准确性和可靠性以及优化管片配筋,通过大量的盾构隧道结构计算和工程经验,对多个设计问题进行了分析,结果表明深埋等复杂地质条件下长大盾构隧道结构计算需要考虑管片的环、纵向接头作用;极限状态法没有区分施工和运营工况受力特点等。通过研究提出了以下解决方案:1)采用改进管片接头单元的梁-弹簧模型,结合接头试验对抗弯刚度等取值进行优化;2)考虑盾构隧道施工阶段为短暂设计工况,运营阶段为持久设计工况进行安全校核;3)提出纤维梁单元模型,对管片配筋进行校核;4)提出多种管片配筋优化设计方法,减少钢筋用量。     

基于纤维梁单元的盾构隧道管片配筋优化技术

研究目的:盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,由于忽略钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,以期在确保隧道结构安全的情况下减少钢筋用量,达到节约成本的目的。研究结论:(1)利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过将管片截面划分成微小单元,对截面刚度进行积分,获得了衬砌结构精确的弯曲刚度值;(2)在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,从而在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化;(3)选用某地铁盾构隧道作为算例,考虑管片在施工期和运营期不同的受力特征,在初步配筋基础上比选优化得到最优配筋方案,所得优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度上节省了钢筋用量;(4)本研究成果可为盾构隧道管片配筋设计的优化提供参考。     

基于纤维梁单元的盾构隧道钢筋砼管片配筋优化研究

盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,忽略了钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过对截面刚度进行积分,获得衬砌结构精确的弯曲刚度值。此外,在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化。研究所得的优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度节省了盾构隧道的钢筋用量。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道管片环极限变形特征研究

管片环极限变形特征是盾构隧道结构设计的关键控制指标和结构安全监测的重要依据。已有的接头弯曲加载试验表明,当弯矩较大时,接头变形具有明显的非线性特征。针对上海地铁区间盾构隧道管片环内的无衬垫式接头,建立其力学模型并推导其变形解析式,得到一定轴压作用下接头变形非线性特征的定量化描述,将其与试验数据对比,验证接头力学模型和变形解析式的工程适用性。基于非线性弹簧单元建立管片环梁-非线性弹簧模型,采用有限元方法对考虑外荷载及接头自身性能等因素不确定性的各工况管片环极限变形特征进行计算分析,根据分析结果提出对盾构隧道管片环结构设计及运营期结构安全监测提出建议。     

深埋双圆盾构隧道衬砌荷载模式及其接头效应分析

双圆盾构隧道在我国的应用才刚刚起步,其力学特性尚未完全认识和把握。为进一步揭示双圆盾构隧道的力学特性,在分析盾构施工特点和双圆盾构隧道结构形式的基础上,提出基于Terzaghi公式的深埋双圆盾构隧道地层荷载模式,并采用梁-弹簧模型对双圆盾构隧道进行了接头不同转动刚度的接头效应分析,对比了梁-弹簧模型和匀质圆环模型的分析结果。分析表明:纯粹按照匀质圆环模型进行双圆盾构隧道结构设计将难以保证其安全,建议在采用匀质圆环模型进行双圆盾构隧道设计时,同时采用梁-弹簧模型进行校核。     

盾构隧道通用管片结构力学行为与控制拼装方式研究

采用梁-弹簧模型模拟管片结构、荷载-结构模型计算作用在管片结构上的荷载,并借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析。结果表明:通用管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位置、封顶块的位置有关;错缝拼装控制通用管片结构正负弯矩、剪力、纵向螺栓剪力设计值;通缝拼装控制变形量和地层抗力设计值。对于内力较大的拼装方式,在施工中应采用回避的方式解决,所以配筋设计中可只按一般的内力值进行计算,以便减少管片结构的配筋量和减小螺栓直径,从而降低工程造价。     

北京地铁盾构隧道管片设计方法比较

根据北京地层的土质特性及其与管片的相互作用特点,研究北京地层条件下的管片合理设计理论与模式,详细介绍修正惯用法和梁弹簧模型法计算管片衬砌内力的理论。针对北京地铁盾构管片设计采用的修正惯用法,使用与实际情况较接近的梁弹簧模型分别计算了北京盾构施工的2个工程实例。通过理论分析,使用梁-弹簧模型法更符合北京地铁隧道工程实际,可对北京地铁隧道管片进行设计优化,为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益.     

螺栓对高轴压盾构管片接头抗弯性能影响研究

在大埋深、高水压等特殊条件下进行盾构隧道管片结构设计时,具有复杂接缝面的管片接头形式得到广泛运用,为具体探究其抗弯性能以及螺栓的作用,采用有限元软件Abaqus,结合具体工程实例,建立大直径盾构隧道管片接头三维非连续接触模型,针对高轴压作用下管片接头的变形特征、抗弯性能和承载能力进行对比分析。计算结果表明:(1)对于大直径盾构隧道管片接头结构,有无螺栓工况之间极限承载弯矩的差值随着轴力的增大而逐渐减小。结构体系失稳前同一弯矩下有无螺栓工况之间的张开量差值随着轴压的减小而逐渐增大;(2)高轴压作用下管片接头接缝面混凝土压溃破坏时螺栓尚未进入屈服阶段,且随着轴力的增加,有无螺栓工况下接头抗弯刚度的相对数值差异显著减小;(3)较之有无螺栓工况,对于高轴压盾构管片接头变形特征和抗弯刚度的影响而言,两种不同等级螺栓的区别不大。总体来说,随着轴压的增加,螺栓对于管片接头的变形控制和抗弯性能提升的贡献逐渐减小。     

基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模-计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性-铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结...     

盾构隧道非均质等效梁模型的建立与分析

盾构隧道管片设计力学模型有均质圆环模型、多铰圆环模型、梁-弹簧模型等.在分析上述力学模型基础上,从管片接头截面力学性质出发,提出一种盾构隧道力学分析方法,建立非均质等效梁模型,即接头处单元与非接头处单元均采用等效参数不同的梁单元模拟,并从理论上推导接头处梁单元高度、宽度、弹性模量等截面性质等效参数解析式.根据现场试验数据,采用正交试验反演分析截面性质等效参数,验证理论解析式的有效性,得到一定条件下截面性质等效参数.将该模型内力结果与现场试验结果及梁-弹簧模型结果进行对比得出:非均质等效梁模型控制性截面内力值比现场试验值偏于安全,其安全系数介于现场试验值与梁-弹簧模型之间.结果表明:该模型可使管片接头力学性质更直观、明确,可在工程中推广应用.     

强刚度低配筋预应力盾构隧道 管片衬砌技术研究

传统盾构隧道管片是由环向和纵向螺栓连接而成的非连续性结构,存在整体性差、抗变形能力弱等缺陷, 造成盾构隧道在施工和运营过程中常出现管片变形过大、接头开裂、螺栓锈蚀、漏水等问题,严重威胁盾构隧道 安全。为解决上述问题,将预应力系统引入盾构管片结构,提出强刚度低配筋预应力盾构隧道技术。通过对盾构 管片施加环向和纵向预应力,可将盾构管片连接为整体,提高盾构隧道的整体性、抗变形能力等性能。通过数 值模拟对比分析预应力管片和传统管片的性能差异,研究表明：采用该技术可提高管片轴力,降低管片弯矩和变 形,同时用钢量较传统管片可降低至少 45%。本技术可有效解决传统盾构隧道存在的问题,并且降低钢筋用量, 可为轨道交通、市政、铁路、公路等行业的绿色低碳新技术研究提供借鉴。     

盾构隧道开裂管片计算分析与加固设计

分析了某地铁盾构隧道管片开裂原因,并对开裂管片的稳定性进行了计算分析,提出了管片加固设计方案.指出盾构隧道超挖和注浆不足是导致隧道管片开裂的诱因,设计方在进行盾构隧道设计时应对注浆工艺提出明确的要求.     

南京地铁盾构隧道结构设计

盾构法施工具有安全、环保、高效的优点,在地铁隧道中被愈来愈多地采用。但目前盾构法施工成本相对较高, 其中管片制作费占盾构施工费的45%,因此,管片结构设计时选择合理的设计方法是降低盾构法施工成本的关键。结合南京地铁的地质和水文条件,分析了软土中盾构隧道结构计算方法,以及隧道内径、衬砌类型的选择;介绍了盾构隧道断面裂缝、直径变形、纵环向接缝验算方法。     

盾构隧道管片破损及缺陷治理方法研究

盾构隧道管片常见病害包括管片开裂、接缝渗漏水、边角破损和错台等,这些病害经常发生在盾构隧道的建设期和运营期,如不及时有效治理,将会影响隧道运营安全。病害发生有地质、设计和施工诸方面的原因,最主要的原因是施工过程的质量控制不当。文章以以色列特拉维夫红线轻轨盾构隧道管片常见损害及缺陷修复实践为基础,分析各种损害及缺陷产生的原因,提出管片裂缝、边角破损、渗漏水、接缝错台的防止措施、修复和处理方法,以期为以后类似工程项目提供借鉴。     

大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。研究表明:我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展;研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

砂土地层盾构隧道超近距离下穿既有隧道变形控制技术研究

为研究砂土地层中盾构隧道超近距离下穿既有隧道变形控制措施,以西安地铁盾构区间隧道下穿地铁1号线出入段工程为依托,通过资料调研、数值模拟、现场试验和监控测量等方法,对既有隧道加固措施、盾构对地层适应性、掘进参数、隧道变形进行研究。结果表明:砂土地层盾构隧道超近距离下穿既有隧道,应对盾构进行专门设计,扩大刀盘开口率,配备专门的膨润土拌制和膨化系统,并避免在下穿影响范围内停机;数值计算和试掘进试验结果,盾构施工参数土仓压力为0.1 MPa,注浆压力为0.22 MPa,推力为10 000 kN,出土量为51 m^3/环,注浆量5~6 m^3/环;通过现场监测,盾构下穿过程中,既有地铁隧道轨道最大沉降及高差分别为6 mm和0.8 mm,符合规范要求,确保了地铁的安全运营,变形控制措施对既有地铁隧道作用十分显著。     

盾构隧道管片螺栓烧熔的结构安全分析与加固

介绍地铁区间隧道发生的罕见接触网短路事故:由于短路电流,造成盾构隧道管片螺栓烧熔,产生高温引起管片破损,使止水条变形漏水.为确保运营隧道的安全,对受损管片钢筋及混凝土进行检测及鉴定分析,并对该区间管片受损段进行深入的数值模拟分析,在此基础上完成管片的修复加固设计.     

天津地铁工程采用1.5m盾构管片的探讨

国内在建城市地铁工程地下区间段大部分采用盾构法施工,随着盾构隧道施工技术的不断成熟和进步,盾构管片形式及分块也趋于多样化。此文以天津地铁4号线设计为例,从管片受力、推进速度、工程造价等方面对1.5m环宽与1.2m环宽盾构管片进行比较和探讨,得出1.5m环宽管片在天津地铁建设中具有更大的推广价值、可行性更高这一结论。     

大断面地铁越江隧道施工难点分析及其应对措施

杭州地铁1号线下沙江滨站至滨江一路站区间是杭州地铁建设的第1条大断面穿越钱塘江的盾构隧道工程。在阐述该工程概况及隧道断面和结构设计的基础上,分析了该工程在设计、施工过程中面临的工程难点,主要包括:下穿钱塘江大堤、下穿江底输油管、高水压下管片接缝防水等。采用工程类比、工程实测等手段,针对各个难点提出相应的应对措施,确保了工程的顺利实施。这些应对措施可为类似的越江隧道工程提供参考。