火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为，利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备，分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先，介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数；在此基础上，针对模型试验过程进行细致的说明。然后，通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况；详尽描述不同试验的相关结果，重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求；试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后，但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小，衬砌结构内部能够形成稳定的温度场；无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝，各管片结构的裂缝发展路径存在差异；衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小；外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。     

双车道高速公路越江盾构隧道管片结构开发与力学分析

针对双车道高速公路越江盾构隧道,开发了一种10块等分管片结构,并进行了力学分析.结果表明:通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装的变形较小,弯矩和剪力最大,纵向螺栓剪力较大;两种拼装条件下轴力变化不大;水土分算情况下管片结构的内力和变形比水土合算的要小.10块等分管片在特定的错缝拼装条件下,每一环管片的内力和变形是相同的,可改善管片结构的受力特征、减少配筋量.管片一环10块等分有利于优化配置运输能力和管片拼装机械手的拼装能力,同时减少管片的接头数量、增加隧道衬砌的防水能力,值得在我国双车道高速公路越江盾构隧道中推广应用.     

盾构管片接头三维数值模拟与研究

盾构管片接头作为管片分块的连接部分,是盾构管片结构中的重要且薄弱的局部结构,其力学性能直接影响盾构管片正常运营的安全性。利用三维有限元方法建立了精细化的三维数值模型,采用实体单元模拟了铸铁件管片接头、螺栓、垫片等结构,计算了螺栓表面荷载下管片接头的力学性能和锚筋支座反力,通过3组螺栓位置情况讨论分析了锚筋位置对管片接头结构力学性能以及锚筋支座反力的影响。数值计算结果说明三维有限元法能有效的计算和分析盾构管片接头的力学性能,锚筋位置的改变能明显的影响锚筋支座反力。     

钢筋锈蚀对上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能影响研究

为研究钢筋锈蚀后上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能退化规律，基于地铁盾构隧道环境条件及空间分布，对管片进行氯盐侵蚀加速钢筋锈蚀试验，并以此为基础进行纵缝接头正弯矩足尺试验。建立纵缝接头三维数值精细化计算模型，并分析钢筋锈蚀影响下地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能退化状况。对足尺试验和数值计算结果进行对比分析，结果表明： 1）在正弯矩作用下，钢筋锈蚀后纵缝接头的变形规律具有明显的阶段性特征。足尺试验中，纵缝接头变形可以划分为3个阶段。数值计算中，可定义6个特征点，纵缝接头变形划分为7个阶段。2）纵缝接头变形前6个阶段，钢筋锈蚀对主要变形特征值无明显影响。至最后一个阶段，随着钢筋锈蚀层厚度的增加，螺栓应变及极限承载力均减小。螺栓应变最大值减幅较大，极限承载力减幅较小。3）钢筋锈蚀后纵缝接头在正弯矩作用下，主要破坏形式为螺栓拉弯、端肋被拉断、外表面边缘混凝土剥离及压碎。     

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性     

隧道混凝土烟道板抗火性能研究

上海长江隧道是当时世界上直径最大的盾构隧道之一,为保证其在火灾下的抗火安全性,从隧道结构设计、烟道板耐火设计、耐火混凝土配制、混凝土耐火性能评价等角度对隧道混凝土烟道板抗火性能进行研究。通过耐火试验对混凝土烟道板的抗火性能进行评估,结果表明所研制的隧道混凝土烟道板具有良好的抗火性能,耐火极限不低于30 min,火灾损伤评级为中度损伤(Ⅱ),符合隧道耐火设计要求,对提高隧道在火灾条件下的安全性具有重要意义。     

旁侧基坑开挖偏心卸载下盾构隧道横断面受力变形研究

为了研究基坑开挖导致旁侧既有盾构隧道产生偏心卸载而带来的不利影响，采用MIDAS/GTS NX软件建立精细化的三环盾构管片模型。基于修正惯用法计算的盾构衬砌环初始围压和Mindlin公式计算得到的基坑开挖卸载产生的附加围压，通过将总围压施加在盾构管片模型上，模拟计算得到盾构衬砌的横向变形和内力；采用椭圆度作为评价隧道安全状况的指标，研究基坑开挖偏心卸载对盾构隧道的影响规律。结果表明： 在基坑开挖偏心卸载过程中，衬砌结构会产生斜向“压扁”的效果，呈现“斜椭圆”变形；由于应力集中的原因，在管片与管片的接缝处应力较大，混凝土应力最大值处在邻接块与标准块之间；混凝土和螺栓的最大应力值会随着椭圆度的增大而增大；随着基坑围护结构位移增大，基坑侧壁应力释放系数β值逐渐增大，隧道的水平位移值也随之增大；在基坑开挖过程中要严格控制围护结构的位移量，以保证盾构隧道安全。     

机械法联络通道管片切削试验与数值模拟研究

T接头受力复杂，易引发安全事故，为确保盾构施工安全,分析正线隧道管片弱化效应，针对主隧道特殊管片的设计施工，开展机械法联络通道刀盘切削试验，模拟始发端混凝土管片掘进切削过程，揭示刀具在不同时刻切削力的变化情况及管片、螺栓在不同工况下的内力分布规律。通过研究得到以下结论： 1)刀具切削厚度、切削速度越大，切削阻力越大，混凝土裂纹扩展越严重，刀具磨损越严重；基体强度越大的混凝土，切削时混凝土板面受损越小。2)切削对同一环的螺栓影响较大，对侧边的螺栓影响较小，随着刀盘旋转推进，管片发生位移变化，螺栓连接点的位移逐渐增大。当刀盘钻出管片时，混凝土管片及内部螺栓位移逐渐趋于稳定。3)改变切削洞口管片的强度对于隧道的变形影响很小，在改变了切削洞口强度后，洞口管片所受的位移增大，但是影响量比较小，结构仍较安全。     

软土地基大直径地铁盾构隧道衬砌结构受力特性数值分析研究

为得到能真实反应软土地基大直径盾构隧道结构受力特点又能保证衬砌结构安全的设计模型,结合广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道结构现场实测结果,采用ANSYS软件研究适用于软土地基大直径盾构隧道衬砌结构设计的计算模型。基于反分析得到的设计模型,对水平侧压力系数、地基弹簧刚度、管片厚度、管片接头位置、管片分块数量等影响大直径盾构隧道衬砌结构受力特性的因素进行敏感性分析。结果表明： 1）采用地基弹簧模拟底部反力并通过调整弹簧的范围可得到既能真实反映衬砌结构受力特性又能保证结构安全性的计算模型; 2）衬砌结构受力对侧压力系数和管片厚度敏感,对地基刚度不敏感; 3）接头位置变化和管片分块数量主要影响布置地基弹簧范围内的管片受力。     

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。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时，可能发生环缝张开，使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程，采用自主研制的接头螺栓拉拔装置，开展了1：1接头足尺抗拉性能试验，分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下，管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响，对管片内表面的应力分布影响较小；纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中，未能充分发挥其承载能力，而在垂直接缝面的拉拔过程中，螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步，可充分发挥其承载能力，与混凝土强度配合较好；螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力，拧进程度越大，螺栓与套筒的联结能力越强，越能发挥纵向接头的抗拉拔能力；结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效，破坏具有突发性，顺拔工况下，纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏，垂直拔工况下，套筒内部螺纹被挤压破坏，因此，可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

深层盾构排水隧道PVC防水防蚀内衬力学性能试验研究

基于广州深层排水隧道,介绍了一种新型聚氯乙烯（PVC）内衬结构,可增强盾构排水隧道的防水和防蚀性能。当管片发生环内变形和环间错台时,盾构隧道接缝位置的PVC内衬处于不利受力状态,故针对PVC防水防蚀内衬的力学性能进行试验研究。通过拉拔试验对PVC内衬与管体之间键的连接可靠性进行研究,通过纵缝压弯试验和环缝剪切试验分别对盾构管片发生环内变形和环间错台时PVC内衬本体和焊缝的力学性能和变形能力进行研究。试验结果表明PVC防水防蚀内衬具有与管片衬砌结构协同变形能力,其力学性能满足要求。     

初始损伤条件下地铁管片力学特性试验研究

为了解初始损伤对盾构隧道衬砌管片力学特性的影响,基于6组具有初始损伤的盾构隧道衬砌管片进行足尺试验研究。在考虑初始损伤位置以及初始损伤位置处钢筋有效面积减小等因素的情况下,对试件破坏过程、破坏模式、极限承载力、变形规律以及初始裂缝扩展机制进行了研究和分析。试验结果表明:初始损伤的存在对盾构隧道衬砌管片的极限承载能力影响不大,但对其正常使用功能影响很大;初始损伤位置处钢筋有效面积减小不仅影响盾构隧道衬砌管片的正常使用功能,更大大降低了其极限承载能力;增加轴力会削弱初始损伤对盾构隧道衬砌管片的不利影响;初始损伤在加载点比在跨中对盾构隧道衬砌管片更不利;初始裂缝基本沿径向或偏向跨中方向直线扩展。相关研究结果可为建立服役期间盾构隧道衬砌结构健康评估与预知理论、以及进一步开展损伤缺陷盾构隧道数值模拟和极限承载力分析提供借鉴和参考。     

矿山法隧道拱部装配式衬砌结构设计研究

为解决矿山法铁路隧道施工拱部常出现的衬砌背后脱空、二次衬砌厚度及强度不足等质量缺陷问题，提出矿山法隧道拱部采用装配式预制管片结构的新思路，并基于时速350 km双线铁路隧道，采用数值计算分析研究拱部装配式衬砌结构的系列设计参数。主要研究结论有： 1）提出拱部装配式衬砌环向不分块的整体预制形式，综合考虑理论计算结果、行车安全分析、机械设备运输及拼装能力、拱部衬砌承载能力等，确定拱部管片环向弦长8.6 m、纵向幅宽2 m、衬砌厚度50 cm的结构尺寸及配筋设计参数； 2）提出拱部预制管片之间环缝采用螺栓连接、拱部预制管片与现浇边墙采用“L”型榫接头的接头形式及其设计参数； 3）为保证拱部管片的顺利安装，“L”型榫接头应考虑一定的施工误差，同时拱部预制管片与初期支护间应预留安装空间，后期通过管片背后纵向注浆填充密实。隧道拱部装配式衬砌技术成功应用于重庆胡家沟隧道，总体实施效果较好。