快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

带接头盒矩形盾构接头正向抗弯三维有限元分析

大弯矩小轴力的内力工况对大断面矩形盾构管片接头的构造设计提出了挑战。接头盒作为一种接头预埋件,其合理设计以及与混凝土共同受力机理值得研究。在梁-弹簧模型中接头抗弯转动弹簧刚度值具有明显的非线性,目前主要依靠足尺管片接头力学试验获取。鉴于数值模拟容易开展,同时基于某大断面盾构管片接头足尺抗弯力学试验数据,文章采用ABAQUS大型有限元软件建立了带有接头盒矩形盾构管片纵缝接头的三维精细化计算模型。针对这类带有接头盒的大断面盾构管片接头,重点考查在正弯矩工况下接头构造设计的合理性,研究轴力对接头正向抗弯性能的影响,分析接头的破坏形态。结果表明,正弯矩工况下接头的弯矩-转角全过程曲线可以简化为三折线模型;在一定范围内,轴力的施加可有效推迟管片接头进入塑性以及破坏阶段,而对各阶段抗弯刚度的数值影响并不明显。     

装配式管片接头受力平面有限元分析

在盾构法隧道设计中,评价接头刚度对管片内力的影响是隧道设计的一个十分重要的内容.由于管片接头或整环管片试验资料过少,很难得到普遍性的接头刚度规律.目前工程中大多根据经验将接头刚度确定为某一常数.针对上述问题,文章通过对广州地铁三号线无传力衬垫的盾构隧道管片接头进行了接触问题的非连续弹塑性有限元分析,得出了接缝转角与弯矩的关系曲线.这种关系曲线接近双直线形状,因此可以简化为双直线关系来确定接头刚度.计算的结果反映出管片接头转角与管片内力之间的非线性关系的规律,为管片设计中的关键参数选择提供了依据,具有较大的实用和参考价值.     

盾构法隧道错缝拼装衬砌的受力分析

对错缝拼装衬砌的内力计算分析的关键是如何考虑隧道纵向剪切作用以及由此而产生的环间弯矩传递。目前在错缝衬砌的设计中，用得最多的是η-ξ法，而η和ξ值的确定主要凭工程实践经验，具有较大的随意性和不确定性。为此，通过错缝拼装衬砌的三维受力性态分析，研究在错缝拼装条件下环缝接头对管片接头的约束作用以及由此而产生的环间弯矩传递。     

粘土地层大断面异形盾构隧道结构力学特征数值试验研究

文章基于修正惯用法和壳-弹簧模型两种计算方法,研究了原型试验条件下错缝拼装的异形盾构管片随覆土厚度增加的力学行为特征。研究结果表明,异形管片结构整体变形呈"横鸭蛋"形;环向接头存在使结构内力呈非对称分布,纵向接头的剪切作用和幅宽边缘对其加强作用使幅宽边缘内力普遍大于幅宽中央;基于平面应变状态的修正惯用法夸大了错缝拼装对管片纵向的加强作用,计算结果要大于考虑三维空间问题的壳-弹簧模型,说明修正惯用法作为异形管片的设计方法是偏于安全的;建议异形盾构管片横向刚度有效率范围为0.72~0.87,正弯矩区弯矩传递系数范围为0.245~0.256,负弯矩区弯矩传递系数范围为0.166~0.197。     

盾构隧道结构健康评价的变形指标研究

选取隧道横向收敛变形和纵向不均匀沉降作为隧道结构健康评价的单项评价指标,提出了采用梁-弹簧模型计算管片纵缝接头处的内力,在此基础上采用精细化解析模型进一步分析纵缝接头力学特性,以纵缝接头张开量、螺栓屈服和管片裂缝值为控制依据,计算得到横向收敛指标;采用三维壳-弹簧模型,以环缝最大张开量为控制依据,计算得到不均匀沉降的曲率控制指标。将该研究应用于南京轨交10号线越江隧道工程,得到该隧道结构健康评价的变形控制指标。     

输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究

软土有压输水盾构隧洞采用管片外衬和整筑预应力内衬作复合式衬砌的设计计算中,为能较好考虑内衬与外衬管片的相互作用,以及内衬预应力荷载在隧洞施工和运营各阶段对复合衬砌结构受力的影响,本文提出了一种新的实体叠合计算模型。由于确定管片纵缝接头抗弯刚度的复杂性,文中建议对用数值模拟管片纵缝接头刚度采用了一种非线性耦合弹簧＂接触对＂的模拟系统。在采用实体单元建模的条件下,由于计入管片接头刚度的力学处理困难,文中研究了一种能以模拟管片接头刚度的简化计算方法。根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同,文中提出了5种适合不同界面条件内、外层衬砌的相互作用模型。此外,本文还研制了内衬预应力荷载的一种转化程序,以解决采用等效荷载法施加预应力时的前处理问题。上述各点创意构思已在南水北调中线一期穿黄隧洞的结构设计研究中得到了具体反映和成功应用。     

基于遗传算法的盾构隧道管片接头刚度反演研究北大核心CSCD

梁-弹簧模型在管片衬砌结构计算中应用较广泛,目前接头刚度取值方法主要有模型试验法及经验取值法,模型试验法耗时长、成本高昂,而依据经验取值难免存在一定主观性。鉴于此,利用C++编程语言,基于遗传算法开发了盾构隧道管片结构位移反分析程序,首先通过弹性模量值反演算例,得出反演值与理论值误差为1.4%,验证了算法和程序的可行性。利用程序将反演接头刚度值与实际设计案例管片接头刚度值进行对比,反演计算结果表明:正弯矩下管片环向接头转动刚度值反演误差为2.6%,负弯矩下管片环向接头转动刚度值反演误差为4.3%。     

盾构隧道局部渗漏水对其力学特性的影响

针对盾构隧道接头渗漏水导致结构长期运营安全性能降低这一问题,文章建立了接头渗漏水数值计算模型,对接头局部渗漏水条件下管片结构的力学响应进行分析。结果表明:接头渗漏水会导致接头附近管片所承担的外水压力明显减小,且减小量值随着渗流量的增加而增加;管片结构内力随着渗流时间的增加,体现为快速增加、缓慢增加和趋于稳定的三阶段变化特征;结构弯矩与轴力的量值与接头渗漏量呈现正相关性;当接头总的渗漏量相同时,外侧受拉区接头处渗漏水对结构内力的影响大于内侧受拉区接头处渗漏,且单一接头漏水时,接头处的水压力减小量值大于多接头渗漏工况;对于多接头渗漏而言,渗水条件下结构渗漏侧的弯矩值大于未渗漏侧的弯矩值,表现出明显的非对称分布特征。     

基于SegFormer模型的盾构隧道管片间缝高精度测量

为高效准确地测量盾构隧道管片拼装缝隙，构建基于SegFormer模型的管片间缝分割算法，提取管片间缝的灰度空间分布信息，实现对图像特征从粗到精的编码，在捕捉局部精细特征的同时保留管片间缝的全局分布信息，从而提高算法的鲁棒性和准确性。研究表明，基于SegFormer的管片间缝分割算法测量精度在2～3个像素以内。为了便于管片间缝测量算法的应用推广，提出智能手机结合激光测距和双侧补光的方案，将算法部署到云服务器上，通过APP调用的方式实现现场管片间缝的快速测量。与人工测量结果的对比验证表明，利用具有10倍光学变焦性能的手机拍摄5 m以内的管片间缝，物理精度在0.5 mm以内，满足管片间缝测量规范的要求。     

错缝拼装盾构衬砌结构力学性能试验分析

错缝拼装盾构隧道衬砌结构由于存在环间传力行为,具有与通缝拼装衬砌结构不同的力学特性。文章通过三环压弯试验获得错缝拼装管片的极限承载力和力学行为规律,分析了衬砌结构纵缝、环缝及管片本体的相互协同作用,并通过一系列试验设计工况得到了纵向力和荷载水平对结构性能的影响规律。同时对比分析了三环与单环压弯试验结构的受力特性和破坏模式的差异,获得错缝拼装盾构衬砌的力学性能和环间传力效应。     

通用环错缝拼装隧道极限承载能力足尺试验研究

针对隧道周边水土流失对隧道结构的正常运营与安全使用产生的严重影响,文章采用拟静力的试验方法对周边卸载工况下通用环错缝拼装盾构隧道结构承载能力进行了足尺试验研究,具体介绍了试验方案和加载方案的设计,提供了结构变形、裂缝展开、管片纵环缝变形和螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果,并对结构的承载性能和破坏机理进行分析。试验结果表明:结构收敛的荷载-位移曲线呈弹塑性特征,在初始阶段,荷载位移曲线线性上升;随后环缝破坏,环间相互作用减弱,结构整体刚度降低;最终环缝凹凸榫剪坏、纵缝混凝土受压破坏以及管片本体压弯破坏,结构整体失去稳定性。     

英国公司开发新型密封衬垫角隅接头 可减少隧道管片安装时开裂风险

正由英国VIP Polymers公司研发的埋入式橡胶密封衬垫角隅接头已获得该国专利,该配件可减少隧道管片安装时发生开裂的风险。目前,多数埋入式橡胶密封衬垫的角隅接头都是采用传统的注塑方法制成。在注塑成型过程中,部分橡胶不免会流入挤压成型的衬垫截面的压缩腔中,从而在转角部位形成实心部分,相比衬垫其他部位则压缩性能降低。故在安装管片过程中,极易因角点受压增大而导致管片开裂的风险。而VIP公司新开发的角隅接     

地震作用对盾构隧道管片张开量的影响及预测北大核心CSCD

为探索地震作用对盾构隧道管片张开量的影响,借助数值分析软件,分析典型工程在不同方向地震作用下管片张开量的分布规律。基于计算结果,对地震加速度与地震引起的管片张开量进行归一化处理,结合现有的管片张开量计算公式,提出了不同埋深隧道在地震作用下管片最大张开量预测方法。研究表明:地震作用对盾构管片环缝张开量有显著的影响,管片最大张开量的最大增幅为16%,平均张开量的最大增幅为27%;地震烈度为8度以下的区域,在静、动荷载作用下,盾构隧道管片抗震加固范围主要在工作井附近3~5环;地震烈度为8度及以上的高地震烈度区,应沿隧道轴向对环缝接头进行抗震加固。与数值计算结果对比表明,提出的考虑地震作用的管片最大张开量计算方法具备一定合理性。     

盾构隧道管片横向接头刚度对内力影响的研究

在应用有限元法对盾构隧道管片内力进行研究的过程中,用接头单元来模拟管片之间的连接,并从理论上推导出管片横向接头刚度的近似表达式,进而计算分析在土体及管片自重作用下,接头刚度对管片内力的影响.文章推导了接头刚度的计算公式,并结合工程实例,给出了计算结果,可为管片的设计提供参考.     

盾构隧道管片接头弯曲刚度计算及影响因素分析

盾构隧道管片接头弯曲刚度是隧道设计关键参数之一。管片接头弯曲刚度的研究引起了广泛的兴趣,但主要集中在无传力衬垫的管片接头上。文章针对南京地铁盾构隧道粘贴了传力衬垫的管片接头刚度开展了研究,结果表明,粘贴了传力衬垫的管片接头弯曲刚度随着接头荷载的增加表现出了明显的非线性。最后对传力衬垫的厚度、螺栓预紧力和螺栓数量等弯曲刚度影响因素进行了分析,其计算结果对隧道设计具有明显的参考价值。     

盾构隧道新型衬砌结构设计参数试验研究

盾构隧道衬砌结构由管片和接头组成,接头的形式直接影响盾构隧道的整体力学性能。上海轨道交通18号线盾构隧道新型衬砌结构环间采用新型插入式快速接头,块间采用新型滑入式快速接头。针对错缝拼装的新型衬砌结构,分别进行了整环足尺试验,介绍和分析了新型衬砌结构的受力性能;通过计算给出不同埋深、不同侧压力、不同纵向力下修正惯用法设计计算参数的取值。     

盾构隧道管片接头抗剪力学性能研究

通过对南京长江盾构隧道环向管片接头进行的三组原型抗剪(无螺栓剪切、有螺栓逆剪和有螺栓顺剪)加载试验,分析研究了管片接头在剪力作用下的受力、变形和破坏特征,给出了管片接头混凝土接触面的静摩擦系数,得到了接头剪力主要由混凝土接触面承担、破坏形式为连接斜螺栓剪切延性破坏的结论。通过对管片结构的有限元数值模拟计算得出:接头处的剪力与轴力比小于接缝面的摩擦系数,管片不会发生相互错动,结构是稳定的。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度的经验公式

接缝抗弯刚度是装配式衬砌结构设计的重要参数,工程中一般是通过接头的荷载试验来确定.文章以某拟建大型水工盾构隧洞的管片接头荷载试验为基础,简要介绍了装配式管片接头荷载的试验方法、影响接头刚度的各种因素及其影响规律.通过对试验数据的分析,建立了管片接头抗弯刚度的经验公式,给出了不同偏心距的接头抗弯刚度系数的变化范围.     

盾构隧道管片拼装纵缝变形规律研究

文章基于对管片拼装阶段的拼装过程以及管片受力情况的分析,采用有限元软件对不同拼装椭圆度、不同封顶块位置下的纵缝张角变化规律进行了研究,并在此基础上计算得出封顶块处于最不利位置时密封垫处的最大内外张开量。研究结果表明,在管片拼装阶段,拼装椭圆度与管片间张角呈线性关系;在相同拼装椭圆度下,封顶块位置对张角的大小有影响,在封顶块位置角度为±32.7276°时张角最大,并且在该位置下椭圆度为±5‰D时密封垫处的最大张开量为5.1 mm。