盾构施工阶段管片衬砌结构受力分析研究

为了解盾构管片衬砌结构的受力特性,解决盾构衬砌结构受力的数值分析难点,首先采用ANSYS分析系统对衬砌管片接头力学建立计算模型,通过模拟载荷试验确定管片接头刚度系数,进而利用销钉单元对衬砌管片按梁-弹簧计算模型进行分析,根据管片接头力学处理方式不同,与惯用计算方法和修正惯用计算方法的结果进行对比,最后对盾构在辅助油缸推力作用下管片的纵向受力进行三维模拟,对均匀施加油缸推力和偏心施加油缸推力进行分析对比,研究成果可对盾构衬砌管片设计提供依据。     

深部盾构斜井管片衬砌内力分析

以神华新街煤矿深部盾构斜井为工程背景,运用有限元软件ANSYS,建立管片衬砌-斜井围岩的二维模型,研究了衬砌围岩间两种接触作用和管片衬砌两种接头刚度模拟方式对斜井衬砌受力特性的影响。结果表明:在煤矿盾构斜井计算模型中,由于摩擦系数取值随意性大且计算收敛性差,衬砌围岩之间采用节点位移耦合接触作用更为合理;由于非线性抗弯刚度一般根据管片接头试验取值,计算结果相对合理,管片衬砌应采用非线性接头刚度。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨

以铰接圆环、匀质圆环和梁-弹簧模型三种力学模式对盾构隧道管片衬砌的内力进行了计算分析,得出用梁-弹簧模型计算的弯矩值介于铰接圆环和匀质圆环的内力值之间.梁-弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚度,能够真实地模拟管片衬砌的力学行为,因此在盾构隧道管片衬砌设计中,具有推广意义.     

高水压大直径盾构隧道管片设计

以琼州海峡跨海隧道工程为例,在初步了解琼州海峡隧道高水压、大直径等工程难点的基础上,结合隧道场地的工程地质条件,利用修正惯用法与ANSYS有限元计算软件对衬砌管片的内力与变形进行计算。依据计算结果,对拟建的盾构法隧道衬砌管片进行了初步设计,进一步对钢筋混凝土管片方案、钢管片方案与混合管片方案在受力与经济性方面进行了方案比选,给出了适用于琼州海峡跨海隧道工程的管片设计方案。     

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。     

地铁隧道常用管片特点与选型计算

盾构作为地铁隧道施工的主要设备与作为地铁隧道永久衬砌的管片应用均非常广泛,因此管片选型的好坏直接影响到地铁隧道的精度和质量。根据常用管片的特点,着重介绍现今应用比较普遍的等腰梯形转弯环管片的楔形量计算、管片排版计算及盾构管片选型依据,并计算出常用管片的最大转弯半径,对管片造型与组织管片生产具有一定的指导作用。     

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。     

TBM圆形铁路隧道衬砌类型力学性态模型试验研究

依托大瑞铁路高黎贡山隧道全断面隧道掘进机（TBM）段圆形模筑混凝土衬砌工程,开展了不同衬砌结构的模型试验研究。采用卧式加载试验装置,对圆形模筑混凝土、单层管片和管片双层三种衬砌类型进行试验,得到三种衬砌管片的弯矩、轴力和位移。研究结果表明:在相同荷载条件下,模筑混凝土衬砌破坏时能承受更大的弯矩;在试件破坏前,单层管片衬砌和管片双层衬砌在拱脚处轴力有突变,产生应力集中现象;分块对管片刚度有一定的削弱作用;等厚度的圆形模筑混凝土和管片双层衬砌,前者刚度大,力学性态好。     

基于光频域反射技术的破碎带盾构隧道管片监测研究

为探究盾构施工过程中不同地质条件与注浆作用对盾构隧道管片变形的影响规律,依托地质条件复杂的珠江三角洲某盾构隧道工程,采用在空间分辨率及传感精度方面具有显著优势的光频域反射（OFDR）分布式光纤传感技术,进行不同空间位置与不同地质条件下隧道管片的监测研究。其中,监测环选取位于破碎带外的1 529环、1 538环及破碎带内的1 551环,传感光纤沿隧道管片钢筋笼纵筋布设。研究表明： 1) 注浆对隧道管片的变形影响十分显著,同步注浆后管片发生的变形是二次注浆后管片变形的3倍。2) 不同地质条件下管片变形差异性明显,破碎带内管片相对于破碎带外管片的变形较大且不稳定; 当隧道管片进入到完整的岩层内部,管片变形相对稳定。3) 破碎带内的管片变形是破碎带外的管片变形的2.6倍。     

南昌红谷隧道管节浮运监控技术研究

南昌红谷隧道是我国目前内河最大的隧道工程,浮运过程要经过3座大桥,且航道宽度只有70 m,水流情况复杂,这些都对浮运作业增加了难度。本文在计算沉管浮运中所受水流力的基础上,针对出坞、顺河流浮运和回旋区调头3种不同情况,制定了2种编队方案。根据工程实际需要,设计了浮运监控系统软件结构,采用C#和WFP技术实现了系统。在管节和拖轮上配置了RTK GPS、DGPS和惯导等导航设备,将浮运编队的实时位置信息显示给指挥人员,对管节出坞、过桥和回旋区调头等监控方法进行了详细描述,并实现了远程终端同步实时显示。目前已经完成了南昌红谷隧道多节沉管的浮运,实践表明系统稳定可靠,形象直观,今后可以应用到同类工程中。     

大直径盾构隧道穿黄河关键技术研究

针对黄河下游“地上悬河”的特点,对市区穿黄河大直径盾构隧道的安全覆土厚度,盾构隧道掘进对黄河两岸堤防工程的影响、管片结构及接缝防水3个关键技术进行研究。主要研究结论如下： 1）确定了过河段河床最大冲刷深度,并基于此研究了隧道过河段控制埋深及纵坡设计; 2）基于隧道控制埋深,验算了隧道对黄河两岸堤防的影响,映证了控制埋深的正确性; 3）进行盾构管片、接缝设计及弹性密封垫设计,并验算管片接缝防水性能。     

矩形盾构隧道准通用环管片排版技术研究

为解决矩形盾构隧道管片排版拟合任意空间设计曲线这一问题，提出了一种矩形盾构隧道准通用环管片排版技术，采用2种管片形成4种不同姿态拟合平竖设计曲线。利用Visual Lisp语言编制矩形盾构隧道准通用环管片排版程序，在一个500 m小转弯半径工程案例中进行管片预排版并验证其可行性。结果表明： 1）2种管片类型的数量大致相等； 2）拟合后的隧道平曲线与理论平曲线最大偏差为16.6 mm，竖曲线最大偏差为13.2 mm，满足相关规范要求。     

盾构施工壁后同步注浆对隧道管片的影响分析

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道为依托工程，利用数值模拟的方法，设置了9个工况研究不同注浆参数对盾构隧道管片受力的影响。结果表明:管片所受到的最大压应力值远小于混凝土的极限抗压强度，但随着注浆浆液重度或注浆层厚度的增加，管片所受到的最大拉应力值可能达到或超过混凝土的极限抗拉强度，从而导致管片发生破坏。     

盾构隧道通缝拼装管片错台的理论分析

随着盾构法隧道施工技术的发展和众多问题的解决，管片错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益凸显，对工程质量有直接的影响。盾构隧道管片的错台主要归因于隧道管片间的差异性位移。分析以上海轨道交通二号线西延段盾构隧道工程为背景，在对隧道的不同类型的管片详细的受力分析的基础上，运用达朗贝尔原理对管片的位移进行了理论分析。最后，分析得出了不同类型管片的位移计算公式，并推导得出了管片之间的错台公式。该公式描述了管片错台与管片受力、弹性密封垫性质等因素的一个定量关系，为消除盾构隧道管片在推进过程中的错台，确保施工精度，提高工程质量提供了理论依据。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

管廊节段长线法匹配预制与拼装关键技术研究及应用

为解决大断面、多舱室综合管廊节段在长线法匹配预制以及拼装过程中的关键技术难题(如端部节段的预制工艺、大断面多舱室管廊节段内模设计及分离技术、管廊预留孔及预埋件的定位精度控制以及在纵向较大安装坡度工况下节段的线形控制和纠偏技术调整等),以厦门环东海域美山路地下综合管廊工程为背景，对该工艺的特点及难点进行深入分析和研究。通过现场应用试验及工程实践总结，提出相应的技术方案： 1）端部节段采用带模绑扎及整体吊装工艺，并开发中空橡胶塞及橡胶条用于外露筋和止水钢板的定位。 2）采用液压顶推工艺完成相邻管廊节段的分离。为减少液压顶推的摩阻力，在管廊节段与混凝土胎膜间采用马粪纸或薄纤维板进行隔离。 3）优化模板拼缝结构为垂直面，并采用液压传动系统控制整个内模自动行走以及内模侧板的开合。 4)在模板相应位置处开设定位孔，并研发制作硅胶棒及橡胶配件等提高预埋工艺的质量。 5）通过监测管廊节段预先标记的中轴线和水平线实现对管廊线形的控制。若出现超差，则采用环氧树脂垫片单边支垫的方式进行线形调整。对安装纵向坡度较大的工况，采用定制的具有三向微调的变频门机进行节段拼装。研究结果表明，该技术方案在实际应用中取得了良好的成效和经济效益，并在厦门翔安东路综合管廊工程中成功应用。     

基于云模型与D-S证据理论的盾构施工隧道管片上浮风险评价

为定量评价分析盾构隧道管片的上浮风险并进行针对性的风险管控,以武汉地铁8号线黄浦路站-徐家棚站盾构区间段为 背景,构建隧道管片上浮风险评价指标体系和评价标准,建立基于云模型与D-S证据理论的盾构施工隧道管片上浮风险评价模型。 依据工程施工实测数据,对监测区段的上浮风险等级隶属度进行计算,经归一化形成证据并进行D-S证据融合; 基于条件化线性 组合规则,将历史证据与当前时刻证据进行证据更新,得出当前时刻该监测区间上浮风险的安全风险等级为较安全状态,最后针对 安全等级不高的材料因素给出相应的处理措施,为施工阶段隧道管片上浮风险评价与管理提供一种新的思路和方法。     

地面堆载下盾构隧道不同加固方法的加固效果研究

为研究地面堆载作用下不同加固措施对盾构隧道管片的加固效果,采用有限元进行模拟,设计一组室内模型试验,将相同工况下试验与有限元得到的隧道沉降与变形结果进行对比,以验证有限元模型的可靠性。使用验证后的有限元模型模拟隧道周边注浆加固、内钢圈加固与UHPC加固,分析在地面堆载工况下隧道的沉降与管片变形情况。有限元结果表明： 1）采用注浆方法对隧道周边土体进行加固,可以使隧道在堆载作用下的竖向变形比未加固时的竖向变形减小很多,且对隧道沉降有一定抑制作用; 2）采用内钢圈与UHPC加固隧道内壁,可以明显降低隧道在堆载作用下的竖向变形,但对隧道沉降影响较小。