盾构隧道纵向等效弯曲刚度的分析方法研究

随着国内外盾构隧道的大量建设和使用,隧道的过量沉降,特别是纵向不均匀沉降引起的问题越来越突出。目前国内外盾构隧道纵向结构性能研究和计算模型理论还不完善,隧道的纵向刚度的确定是其中的重点与难点问题之一。文章通过采用下穿既有隧道的结构变形监测数据反分析隧道纵向弯曲刚度,规避了目前计算分析中难以综合考虑盾构隧道拼装方式、横向刚度、螺栓作用等诸多因素的问题,为盾构隧道纵向弯曲刚度的确定提供了一种新方法。研究发现,盾构隧道在变形过程中纵向刚度并不是不变的,而是会随着隧道的变形而发生变化,呈现非线性特征,并建立了隧道结构纵向刚度有效率与隧道结构最大纵向变形之间的拟合关系。     

基于管片错台的通缝拼装盾构隧道纵向变形安全评估

以上海软土地区通缝拼装地铁盾构隧道为研究对象,根据隧道管片环缝接头处的详细构造,对管片错台模式下的隧道纵向变形进行了研究,建立了隧道纵向结构变形安全评估方法,确定了相应的控制准则和评估流程,形成了一套隧道结构纵向变形的安全评估体系.     

9块等分管片设计及其工程应用研究

文章就城市双车道公路盾构隧道设计了一种9块等分管片,采用有限元法进行了管片结构内力和变形分析.分析结果表明,9等分管片的受力合理,管片结构的内力和变形都满足设计要求.管片一环9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,值得在我国城市双车道公路盾构隧道中推广应用.     

拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析

文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析.通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响.     

隧道内部套筒连接式预制柱基节点力学性能试验研究

随着大直径盾构隧道双层车道结构在公路隧道领域中的快速发展,其内部双层车道结构的施工也逐渐向全预制化方向发展。文章以在建的诸光路隧道内部预制立柱-基座节点为工程背景,设计了套筒连接和整体现浇的2个足尺试件,进行拟静力试验研究。结果表明,预制灌浆套筒连接试件的承载力与整体现浇试件相当,但其延性和耗能能力弱于整体现浇试件;且预制套筒连接试件存在裂缝集中现象,套筒上方混凝土区域裂缝宽度较大。     

通用环错缝拼装盾构隧道结构设计计算参数研究

为了探明错缝拼装条件下盾构隧道结构的内力和使用修正惯用法进行设计计算的关键参数——弯矩传递系数、抗弯刚度有效率,文章根据地铁盾构隧道实际运营条件设计和实施了不同工况下通用环错缝拼装盾构隧道结构的足尺试验,分析了埋深、侧压力系数、纵向力、侧向抗力等对于结构内力和修正惯用法相关设计参数的影响。研究结果表明,弯矩传递系数对结构埋深和纵向力较为敏感,抗弯刚度有效率则受到侧压力系数、结构埋深、纵向力和侧向抗力的影响。     

武汉地铁越江盾构隧道纵向不均匀变形及力学特性研究

地铁盾构隧道,尤其是大型跨江海的水下地铁盾构隧道,局部埋深通常要大于普通地铁盾构隧道,而且要承受较高的水压力作用;盾构隧道作为特长线性结构,其纵向刚度较小,对于外部荷载的变化较为敏感,由此产生的不均匀变形是隧道工程中不可忽视的问题。文章针对武汉地铁越长江盾构隧道工程,通过三维数值计算探讨了埋深变化、水压变化、地层变化及穿越刚性结构物等因素对越江盾构隧道纵向不均匀变形及受力状态的影响。     

大直径泥水盾构施工小半径曲线隧道的质量控制措施

上海长江西路越江隧道系采用15.43m泥水气压盾构施工,为避开逸仙路高架桩基和轨交3号线高架桩基,曲线段隧道的最小转弯半径仅为910m。通过对盾构设备的优化、管片的合理拼装、盾构姿态控制等措施,使隧道轴线平面偏差控制在±40mm内,高程偏差控制在±30mm内;施工中未出现管片碎裂现象,其盾尾间隙均匀,从而保护了盾尾钢丝刷,规避了盾尾漏浆等施工风险,积累的经验可供类似工程参考。     

多功能长平移管片拼装机的设计

管片拼装机是盾构掘进过程中,将开挖好的隧道表面用预制混凝土管片拼装成圆形隧道的机构。基于长距离隧道掘进中盾尾刷失效不易更换的问题,文章在分析其工作原理及功能结构的基础上,提出了一种具有长平移、360°回转,以及能实现管片六自由度运动功能的拼装机,并用有限元法校核了关键部件的强度。     

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。     

软土深埋大直径盾构法隧道施工受力及变形特性研究

随着我国城市化建设及区域融合的日益加快,盾构法隧道朝深大方向发展,隧道安全设计及建造面临着更为严峻的挑战。为探究软土地区大直径盾构深埋段的力学及变形特性,以上海某大型隧道工程为背景,通过全断面围压、结构内力及三维激光扫描变形测试,获取了盾构隧道施工期全过程结构受力变形发展规律;分析了软土地区深埋区段盾构法隧道变形发展机制,并探讨了结构内力及变形响应与外部荷载间的关联性;发现盾构法隧道变形与管片拼装机脱出盾尾时的受力有密切联系。由于深埋段围压较大,因此变形以对称状态为主,软土地区大直径隧道管片结构受力由施工初始阶段的局部受拉最终转变为整体受压、构造钢筋不受力状态。上述发现为后续合理确定盾构隧道受力模式及合理确定计算方法提供了技术支撑。     

泥质粉砂岩地层中后行盾构隧道近接施工对大断面矿山法隧道的影响研究

两条以上隧道近距离施工时,将导致既有隧道与新建隧道结构的受力变化,带来工法、工序与施工对策优化等问题。文章以长沙轨道交通3号线盾构隧道近接大断面矿山法隧道施工为工程依托,针对泥质粉砂岩地层,采用数值模拟和模型试验的手段,研究盾构隧道近接矿山法隧道施工的影响规律,并基于地表沉降准则提出影响分区。研究表明:盾构法隧道施工中,盾构开挖距离研究断面1倍洞径至研究断面完成管片拼装这一过程,是引起对应地表沉降增加及既有矿山法结构附加位移增长的主要阶段;对矿山法隧道结构的影响以竖向附加变形为主,具体表现为矿山法隧道整体上浮,越靠近盾构隧道的结构受影响越大;内力影响表现为矿山法隧道结构内力不均匀变化,靠近盾构隧道一侧结构受压加强,远离盾构隧道一侧结构易发生受拉破坏。     

基于椭圆形式的隧道纵向等效连续化模型分析

针对当前理论推导下隧道纵向刚度有效率(0.14~0.23)比上海盾构隧道实际工程的应用值(约0.7)偏小的情况,文章改进传统纵向等效连续化模型,在隧道等效连续化模型的基础上,基于椭圆的参数方程,同时考虑横向刚度、环缝作用范围的影响,并且引入土层约束系数和管片拼装方式影响系数,建立新型的盾构隧道纵向等效连续化模型,修正了等效弯曲刚度的计算公式。文章以上海某隧道工程为背景,分析了横向刚度和环缝作用范围系数对隧道等效抗弯刚度的影响规律。假设隧道发生"椭圆变形",其计算结果表明,隧道纵向等效刚度有效率与其他模型结论相比增加了26%~50%,有效地贴近了实际应用值,证明了椭圆假设的合理性。研究结果对隧道纵向等效刚度有效率的理论推导和实际工程的取值具有一定的参考意义。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。     

武汉长江隧道盾构段结构型式研究

武汉长江隧道是我国在高水压、强透水地层中修建的第一条大直径盾构隧道,且左侧河床历年冲淤变化幅度较大,如何选择合理的隧道结构型式是工程设计必须考虑的关键问题.为此,在国内外现有单层管片衬砌和全环双层衬砌的基础上,研究提出了一种新型的“管片衬砌+非封闭内衬”的双层衬砌结构该结构在不增加隧道开挖直径的前提下,允分利用圆形隧道底部和两侧的富余空间现浇钢筋混凝土,并与车道板结构共同组成非封闭二次衬砌结构,可以大幅度地减少河床冲淤变化时的结构横向变形,并确保隧道底部与两侧这些重点部位的防水性能及结构长期稳定性,是一种值得推荐的创新结构方案.     

大断面盾构隧道管片设计内力和变形极值分析

文章以双车道高速公路越江盾构隧道为例,设计了一种10块分管片结构,其分块为1K(18°) 2A (31°) 7B(40°)=360°。对采用匀质圆环和铰接圆环模型模拟装配式管片结构,进行了不同拼装方式下管片结构的内力和变形极值分析,得出了不同模型下管片结构的内力和变形图特征及变化规律。采用匀质圆环模型计算控制最大正负弯矩和最小变形,而采用铰接圆环模型计算控制最小正负弯矩和最大变形以及最大和最小剪力,不同的拼装方式控制不同的内力和变形设计值。     

盾构隧道管片接缝结构可靠度分析

盾构隧道管片衬砌结构设计的依据是地层勘察资料、设计文件、相关设计规范等,各部分资料的准确程度直接影响到结构设计的可靠度;其次,盾构隧道是由管片和螺栓等拼装而成,由于预制管片和施工方面的原因,各种参数总有一定的偏差;再次,土中水压力的作用效果也不是十分明确的,而管片接头作为管片衬砌环的薄弱环节,其力学特性的明确至关重要。文章依托南京长江隧道采用蒙特卡罗法和响应面法对管片接头结构的可靠性进行了分析研究。     

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。     

不同厚度的桥面现浇层对预应力混凝土空心板梁桥的影响分析

对于高速公路常见的空心板梁桥,桥面铺装层不仅仅是"抗磨耗层",桥面铺装层的下层水泥混凝土现浇层与主梁结构连接成整体,可有效的防止沿铰缝方向的纵向开裂,避免出现"单板受力"状态。实际上桥面水泥混凝土现浇层同预制空心板梁紧密连接,其共同受力和协调变形,也可作为主结构的一部分来承受荷载。以高速公路常见的空心板桥为例,分别按不同混凝土现浇层厚度共同参与受力,进行计算对比分析。     

双车道公路盾构隧道管片合理分块型式研究

文章以双车道公路盾构隧道为例,设计了三种不同分块型式的管片结构,并采用梁-弹簧模型模拟装配式管片结构,借助于有限元法分析了在不同拼装方式下管片结构的力学特性;通过对内力和变形的分析比较,并综合考虑设计、施工及其造价等因素,认为在最不利荷载作用下的管片结构宜采用10块分块型式;管片结构的正负弯矩值相差很大,故宜将内外两侧的钢筋分开进行配筋设计。