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。     

大直径江底盾构隧道衬砌结构受力现场测试与分析

以长沙南湖路湘江隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间的变化规律,并采用梁-弹簧计算模型对不同施工阶段管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:1)施工期管片衬砌脱环后容易形成偏压状态;2)注浆对管片内力影响较大,受注浆影响,管片内力增幅明显;3)随着监测的进行,管片内力特别是轴力仍然有小幅度增长。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

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。     

深埋排水调蓄盾构隧道管片1∶1力学试验系统的研发与应用

建设深埋排水调蓄隧道是缓解城市内涝问题的最有效方法之一。深埋排水调蓄隧道管片由于其直径大、外部水土荷载大、受内水压等特点,在工程实际应用前须对其受力变形特征进行研究。提出了一种1∶1平躺式原型盾构管片力学加载方法,并建立了一套管片模型试验数据采集系统。基于该试验系统,以上海苏州河段深埋排水调蓄水隧道为例,通过单环整环试验研究了埋深增加、蓄水和排水状态下管片结构内力和变形的变化规律,建立了接头抗弯刚度与偏心距之间的关系。试验结果表明:空管状态竖向收敛和水平收敛值分别为18,20mm,满管状态竖向和水平收敛值分别为78,80mm,蓄水对管片受力变形较埋深增加影响更为明显;卸载后管片变形无法恢复到初始状态,管片整体呈现非完全弹性的特点;接头抗弯刚度受管片内力影响较大并呈现空间变异性,空管状态接头抗弯刚度约为满管接头抗弯刚度的3~6倍;抗弯刚度与偏心距近似呈反比例函数关系,正负弯矩条件下均可以划分为3个阶段。     

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。     

小净距隧道富水破碎区段防排水施工技术研究

为了安全快速地穿越富水破碎带区段,结合小净距隧道的结构特点,基于现场钻探揭露结论及涌水量、水压的测定结果,提出了小净距隧道左右洞交替作为导流洞的防排水施工技术。基于流固耦合理论,采用FLAC~(3D)数值模拟软件分析了左右隧洞并行掘进时,围岩孔隙水压力及围岩位移的分布特征,揭示了围岩变形与孔隙水压力的相互作用机理,并结合现场围岩变形监测数据与掌子面最大涌水量数据,验证了该防排水施工技术的可行性。     

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。     

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。     

大断面矩形土压平衡式顶管上跨施工对运营地铁隧道变形的影响分析

以川大停车场下穿人民南路地下人行通道矩形顶管隧道工程为依托,采用数值模拟方法对大断面矩形土压平衡式顶管隧道上跨地铁运营区间隧道所引起的地铁隧道变形进行全过程分析研究,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证模型的合理性。主要结论如下： 1）顶管法隧道上跨施工引发的既有地铁隧道竖向变形受前期掌子面支护压力影响较大,随着开挖面的推进,开挖卸载效应逐渐占据主导地位; 2）地铁隧道横向位移受顶管隧道掌子面支护压力和开挖卸载效应的共同影响,且地铁隧道管片衬砌上半断面的横向位移对掌子面支护压力极为敏感。     

盾构管片接头力学行为的有限元分析

考虑到盾构管片接头受力复杂,采用三维有限元法,利用大型通用软件ADINA建立管片的精细三维有限元数值模型,分析了接头变形、管片应力变化及不同偏心荷载下接头的刚度和强度演变规律。有限元分析结果表明,接头的存在增大了管片结构的变形,接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大;接头的存在不仅降低了管片环的刚度,也降低了管片环的承载力。     

合肥膨胀土地层浅埋双洞地铁隧道施工参数优化研究

为分析膨胀土特殊地层对双洞地铁隧道结构的影响,并对浅埋双洞地铁隧道施工参数进行优化研究,提出运用FLAC3D热力场-应力场耦合方法,利用标定设置热膨胀系数等效模拟膨胀土地层吸水膨胀、失水收缩过程。研究结果表明： 1）数值模拟结果经与现场实测值对比验证,该方法正确、合理; 2）当两隧道净距大于1.5倍洞径时,最大地表沉降值为28.82 mm,衬砌结构内力增量小于20%,双洞中柱围岩塑性区不贯通; 3）当双洞掌子面距离大于40 m时,最大地表沉降值小于30 mm,拱顶沉降增量小于10%; 当双洞掌子面距离大于30 m时,双洞隧道中柱围岩塑性区不贯通; 4）建议双洞地铁隧道净距大于1.5倍洞径、双洞掌子面距离大于40 m。     

秦岭天台山大断面高速公路隧道降尘除尘方案研究

为解决由于隧道施工断面大、在开挖过程中产生的粉尘难以通过施工通风排除的问题，对秦岭天台山隧道（双向6车道）施工过程中钻孔、爆破、出渣、喷浆等不同工况下的隧道粉尘质量浓度进行现场实测，并根据现场实测结果，对隧道内各工况施工粉尘分布特性进行数值模拟研究，提出适合于大断面隧道施工的粉尘控制措施。现场测试结果表明，出渣和喷浆工况下，粉尘质量浓度超过规范要求数倍。通过数值模拟得到： 1）靠近掌子面40 m区域内粉尘质量浓度不稳定，下降趋势不明显； 2）在布置风管时，风管末段至掌子面距离建议取为60~80 m，以保证新鲜风以较大的喷射面抵达掌子面； 3）建议采用附壁风筒降尘+车载除尘方案，除尘效率达95%，能有效处理隧道各区域粉尘，且对施工造成的影响小。     

湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、外侧的环向钢筋应力,并与现场的应力监测数据进行对比。研究表明： 1）高水压作用下,单环管片衬砌的变形呈现“横鸭蛋形”,且管片结构变形和接缝张开量均与外水压力变化呈线性关系; 2）作用水头每增加10 m,衬砌结构中各接缝张开量绝对值约增加0.5 mm; 3）采用修正惯用法计算得到的钢筋应力与实测结果较为吻合,较好地反映了隧道管片的实际受力状态。     

单跨5车道公路隧道过渡“3+2”小净距隧道施工力学研究

厦门芦澳路与海沧疏港通道交叉处拟建一座地下互通式立交隧道,隧道分岔处由单洞5车道大跨段直接过渡至主洞3车道及匝道2车道的"3+2"小净距段,采取直接过渡的方式不设置连拱段,最大开挖跨度达到30.46m,最大开挖面积达450.41m~2。分岔隧道由大跨段直接过渡到小净距段决定了施工过程中非常复杂的工序转化,施工力学机制难以把控,分岔隧道围岩应力受隧道净距和断面形式的影响,分岔隧道的施工与支护结构设计面临诸多难题。通过三轴试验结合数值分析的方法对大跨段与小净距段交界处以及小净距隧道的施工力学进行研究,得出如下结论:1)现场取得的花岗岩试样属于弹脆性岩石,岩石处于三向受力状态时岩石强度和稳定性远大于双向受力状态,花岗岩试样弹性模量与围压呈正相关,结合Hoek-Brown强度准则以及Mohr-Coulomb强度准则对三轴试验结果进行修正得到现场岩体的物理力学参数。2)分岔隧道大跨段过渡至小净距段施工时,应及时对大跨段与小净距段交界面处围岩进行封闭,建议采用高性能喷射混凝土和工字钢支护,保证围岩尽快处于三向受力状态。3)小净距段隧道开挖对大跨段末端断面位移的影响主要是竖直方向,同时也会引起大跨段隧道末端初期支护不同程度的内力变化,其中左右拱脚处内力变化最为剧烈。主洞隧道施工对大跨段隧道内力和位移影响范围为掌子面后16m,匝道则为掌子面后12m。4)小净距段施工时,主洞和匝道隧道最佳纵向开挖间距为16m;当主匝隧道净距大于6m时,可作为独立单洞进行设计和施工。     

水压作用下超大直径泥水盾构掌子面主动破坏模式研究

随着中国跨海隧道技术的不断发展,超大直径泥水盾构的应用范围越来越广。该文以广东珠海马骝洲交通隧道工程为研究背景,采用有限差分软件FLAC^3D对中粗砂和淤泥地层条件下超大直径泥水盾构掌子面破坏过程进行模拟,得到无水条件和水压条件下掌子面主动破坏模式及极限泥水支护压力变化规律,并将数值计算结果与楔形体极限平衡理论结果进行对比。研究表明:水压作用提高了泥水盾构掌子面极限支护压力,但对掌子面破坏形态影响较小;掌子面破坏形态受泥水重度影响较大,具体表现为掌子面上部变形较大,下部变形较小;数值计算与理论计算结果对比表明:盾构掘进为中粗砂地层时,楔形体极限平衡理论得到的结果偏不安全。     

盾构法T接隧道结构受力现场试验研究——以宁波轨道交通3号线联络通道为例

为了了解盾构法T接隧道在施工过程中主隧道外部的荷载以及响应，以国内第一条使用机械法施工的联络通道--宁波轨道交通3号线为背景进行研究。本文通过研究施工过程中的施工工况节点，现场监测主隧道结构的外荷载、收敛变形并计算结构内力，得到在整个施工过程中主隧道的结构响应及其变化规律。通过本文的研究，可以得出以下结论： 1）施工过程可依据外部荷载和结构体系进行划分工况，各工况具有明显的不同响应； 2）始发端和接收端的内力变化主要受到盾构顶力和外部注浆荷载的影响，且主要影响切削侧，切削过程中的内力增量在10%～20%，注浆压力影响的增量部分达到了50%； 3）各环及内支撑轴力增量在200 kN以下，破洞位置导致的轴力损失可以由其余位置共同承担，不需要特殊的破洞阶段超载设计。     

超大直径水下盾构隧道近接施工力学行为分析

为探明海域复合地层条件下,水下超大直径盾构公路隧道近距离开挖对既有隧道的影响,文中以珠海横琴马骝洲交通隧道为研究背景,采用数值计算和现场试验相结合的方法,得到了由盾构施工引起的既有隧道附加内力及变形变化规律。分析数据可知:盾构施工会引起管片的二次附加内力,拱顶弯矩和拱底轴力受隧道开挖的影响程度较大;由开挖引起地表沉降影响范围约为5倍隧道洞径,盾构在近距离施工产生的荷载对既有隧道有挤压变形的效果,两侧拱腰会随着隧道掘进而逐渐向内产生二次收敛变形。     

盾构隧道开挖面涌水对地表沉降及管片内力的影响分析

土压平衡盾构在高水压砂层中掘进时,施工措施不当会使开挖面发生涌水涌砂险情,进而引起较大的地表沉降,土体下沉会使得管片严重变形,威胁施工人员的生命安全。以武汉地铁7号线小东门至武昌火车站盾构区间为研究背景,通过建立精细化数值模型,考虑水土流固耦合作用,研究土压平衡盾构在砂土层中掘进时开挖面涌水对地表沉降及管片和螺栓内力的影响。结果表明:开挖面涌水量与地表沉降呈线性关系,与管片螺栓内力呈非线性增长关系,较大的涌水量使隧道拱顶处发生严重的挤压变形,进而引起管片破损及螺栓屈服。因此,当开挖面发生涌水涌砂险情时,为防止地表严重下沉及管片破损,应尽快采取紧急措施减小涌水量。     

盾构隧道管片接头三维数值模型边界条件研究

三维精细化数值模型有助于深入研究盾构隧道管片接头的力学性能,如何准确地将室内试验和数值模型的边界条件相对应是研究中的关键问题之一。在接头抗弯性能的研究中,轴力偏心距的影响不可忽视,以往研究大多对其进行理想化的处理,因此带来较大误差。针对管片接头压碎试验中轴力施加位置的不确定性进行探讨,证明了通过求解线性方程,并根据数值模拟和试验的偏差来确定初始轴力偏心距的可行性和合理性。并模拟出了管片接头在正负弯矩作用下变形至破坏的全过程,最后对正负弯矩作用下管片接头抗弯试验和三维有限元模拟提出建议。