软土盾构隧道横断面变形规律及控制限值研究

研究目的:盾构隧道横断面变形对结构安全具有深刻的影响,变形过大会导致隧道接缝张开及渗漏、管片开裂,甚至导致横断面限界不足、隧道结构承载能力散失等,而盾构隧道修复加固代价高昂,为了确定合理的管片修复时机,在保证隧道安全性的同时兼顾经济性,需对隧道横断面变形规律及限值展开研究。研究结论:本文在隧道变形影响因素分析的基础上,得出如下结论:(1)横断面变形的根源在于隧道竖向和水平荷载比的增大;(2)以南京地铁二号线盾构隧道管片结构为背景,采用数值模拟的方法研究了隧道横断面变形规律,建立了不同拼装方式下隧道水平直径变形量与接缝最大张开量、最大螺栓应力、最大混凝土应力之间的关系,进而提出了隧道横断面变形控制限值:对于通缝隧道,水平直径变化量大于123 mm时螺栓达到极限强度值,对于错缝隧道,大于127 mm时螺栓达到极限强度值,此时隧道安全性将受到极大威胁;(3)本研究成果可为隧道横断面变形管控措施及修复时机的确定提供参考。     

南京地铁盾构隧道纵横断面结构安全评估研究

南京地铁河西地区盾构隧道长期运营后,因地下水位变化、地面超载、周边基坑土方开挖、列车振动荷载等各种外部因素,造成了隧道纵断面不均匀沉降、横断面变形、管片错台及开裂、管片间渗漏等病害,基于纵断面曲率半径、横断面收敛、防水极限及螺栓强度极限的理论推算,结合与实测数值的对比,判断隧道防水性能及结构状态,为隧道的安全运营维护提供决策依据。     

基于三维激光扫描的盾构隧道横向变形指标研究

采用三维激光扫描技术对某运营期盾构隧道段(含联络通道)进行全空间变形检测,通过数据处理获得每环隧道横断面全周变形值,结合现场勘察隧道裂缝、错台和渗漏水等病害情况,分析隧道横向变形与隧道结构性能的关系。研究结果表明:运营期隧道结构变形模式为斜鸭蛋形;在盾构隧道长轴(或短轴)变形量小于0.3%D(椭圆度小于0.6%)时,隧道无渗漏、管片无破坏及错台现象;在盾构隧道长轴(或短轴)变形量大于0.3%D但小于1%D(椭圆度大于0.6%但小于1%)时,隧道逐渐出现渗漏、管片破坏和错台等病害;在盾构隧道长轴(或短轴)变形量大于1%D(椭圆度大于1%)时,隧道出现大量渗漏浆、管片破坏及错台现象。研究成果对于制定隧道检测计划、完善隧道设计规范中的相关规定等有一定的参考价值。     

基于弯矩最小化的地铁盾构隧道横断面优化设计分析

盾构隧道在过大弯矩作用下易发生横椭圆变形超限,且纵缝接头易发生结构病害,因此提出尽量减小弯矩的盾构隧道横断面设计理念。首先提出了零弯矩盾构隧道概念,得到其横断面合理轴线的结构力学模型与解析表达式,以及零弯矩盾构隧道横断面关键参数的计算公式。考虑到一条或多条地铁线路只能选用一种盾构隧道横断面,为此给出了基于弯矩最小化的盾构隧道横断面设计方法,即采用加权平均法确定零弯矩盾构隧道横断面设计的土压力参数,并给出了基于弯矩最小化的盾构隧道隧道横断面设计流程。基于弯矩最小化设计盾构隧道横断面的目的是最大限度地减小全线盾构隧道的弯矩,相比传统的圆形横断面,弯矩最小化盾构隧道横断面的弯矩有了大幅度地减小。     

盾构隧道的纵向地震响应

基于与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元建立盾构隧道纵向等价连续化模型,通过等价刚度的方法考察管片间接头螺栓对隧道结构刚度的影响.分别采用反应变位法和有限元法进行盾构隧道的地震响应研究和抗震性能分析,并以实例比较2种方法的有效性和应用条件.研究结果表明:在盾构隧道的纵向抗震设计时,应采用螺栓最大张开量作为设计的重要控制指标,并应尽量将隧道设计成可适应其变形的柔性结构;采用等价连续化模型进行盾构隧道纵向受力分析时,其等价弯曲刚度受轴向力的影响较大,故在单元等价弯曲刚度计算中计入轴向作用力的影响是十分必要的;螺栓进入塑性受力状态后,建议采用有限元法计算的结果进行抗震设计.     

地震作用下盾构隧道直径变形率限值研究

选用最大直径变形率作为地震作用下城市轨道交通盾构隧道的性能指标,并利用盾构隧道衬砌直径变形和内力的关系。通过变形协调推得直径变形率的计算公式。又通过动力增量法,分不同的场地和不同的地震波,计算得出典型盾构隧道的直径变形率。综合考虑后得出地震作用下盾构隧道直径变形率限值:性能I下的限值为3.40‰,性能II下的限值为6.40‰。     

螺栓对高轴压盾构管片接头抗弯性能影响研究

在大埋深、高水压等特殊条件下进行盾构隧道管片结构设计时,具有复杂接缝面的管片接头形式得到广泛运用,为具体探究其抗弯性能以及螺栓的作用,采用有限元软件Abaqus,结合具体工程实例,建立大直径盾构隧道管片接头三维非连续接触模型,针对高轴压作用下管片接头的变形特征、抗弯性能和承载能力进行对比分析。计算结果表明:(1)对于大直径盾构隧道管片接头结构,有无螺栓工况之间极限承载弯矩的差值随着轴力的增大而逐渐减小。结构体系失稳前同一弯矩下有无螺栓工况之间的张开量差值随着轴压的减小而逐渐增大;(2)高轴压作用下管片接头接缝面混凝土压溃破坏时螺栓尚未进入屈服阶段,且随着轴力的增加,有无螺栓工况下接头抗弯刚度的相对数值差异显著减小;(3)较之有无螺栓工况,对于高轴压盾构管片接头变形特征和抗弯刚度的影响而言,两种不同等级螺栓的区别不大。总体来说,随着轴压的增加,螺栓对于管片接头的变形控制和抗弯性能提升的贡献逐渐减小。     

新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

针对新建盾构隧道下穿施工时,对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题,应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术,建立三维非连续精细化数值模型,重点分析隧道正交下穿施工扰动下,既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明:新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉,表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著;纵缝接头变形以张开为主,环缝接头变形以错台为主,且同一环中拱顶处变形最大;环缝接头应力集中明显,靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值,局部裂损风险高;受下部开挖影响,上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。     

强刚度低配筋预应力盾构隧道 管片衬砌技术研究

传统盾构隧道管片是由环向和纵向螺栓连接而成的非连续性结构,存在整体性差、抗变形能力弱等缺陷, 造成盾构隧道在施工和运营过程中常出现管片变形过大、接头开裂、螺栓锈蚀、漏水等问题,严重威胁盾构隧道 安全。为解决上述问题,将预应力系统引入盾构管片结构,提出强刚度低配筋预应力盾构隧道技术。通过对盾构 管片施加环向和纵向预应力,可将盾构管片连接为整体,提高盾构隧道的整体性、抗变形能力等性能。通过数 值模拟对比分析预应力管片和传统管片的性能差异,研究表明：采用该技术可提高管片轴力,降低管片弯矩和变 形,同时用钢量较传统管片可降低至少 45%。本技术可有效解决传统盾构隧道存在的问题,并且降低钢筋用量, 可为轨道交通、市政、铁路、公路等行业的绿色低碳新技术研究提供借鉴。     

地铁盾构隧道结构安全评判指标体系及模型建设研究

本文基于对地铁盾构隧道结构各类病害及变形破坏特征分析,同时结合长期变形及专项维保监测相关工程实践资料,对地铁隧道结构的综合安全性态评判技术及对应评判模型建设开展研究,并结合某地铁区间工程实例,从隧道结构变形监测成果、病害检测成果、结构形变理论极限指标、病害综合评估等多个维度,初步建立了一套较为全面的地铁隧道结构安全评判指标体系及评判模型,可为进一步开展相关隧道病害综合治理及其整体安全管控工作提供技术参考。     

Research on the law and controlled limit value of transverse deformation for shield tunnel in soft clayEI北大核心

Research purposes: The transverse deformation of shield tunnel may deeply threaten the safety of tunnel structure. Excessive deformation may lead segment joints to open and leak and segments to craze. The deformation may even cause insufficient cross-section limit and the missing of structural-load-carrying capacity of the tunnel. On the other hand, it costs a lot to repair and reinforce the shield tunnel. In order to determine the proper moment to repair segments and ensure the safety of tunnel structure as well as economical efficiency, it is necessary to study the deformation law and limit value of the transverse section of the tunnel. Research conclusions: Based on the analysis of the influencing factors to causing the transverse deformation, the following conclusions was proposed: (1) The root of transverst deformation is increase of vertical and horizontal load ratio. (2)The shield tunnel properties of Nanjing Metro Line 2 was adapted to analyze the relationship between the variation of tunnel horizontal diameter andmaximum rate of joint opening, tress rate of both bolt and concrete using numerical simulation, furthermore the controlled limit value of transverse deformationwas got, the bolt tress achieve maximal strength when the variation of tunnel horizontal diameter reach 123 mm for sequential segment seams, and 127 mm for staggeredsegment seams, which means severely threaten to the safety of shield tunnel. Finally the precontrol and governance methodswere delivered to different influencing factors. (3)The research results can provide references to determine the controlling methods and restoration moment of the transverse deformation.     

基于弹性极限理论的盾构隧道收敛变形研究

为研究隧道横向收敛变形对隧道结构安全的影响,从变形协调的角度出发,应用修正惯用法求出螺栓在弹性极限状态下管片截面的弯矩值,并根据管片横截面受力与隧道横向变形之间的关系,反推出管片环的弹性极限曲率半径。基于上海地铁单圆隧道的设计参数,对弯矩传递系数ξ分别取0.3、0.4及0.5进行计算,得出隧道收敛变形的限制值分别为18.6mm、23.4mm及30.2mm。最后,以上海轨道交通8号线某区间隧道的实测横向收敛数据为基础,将该方法得出的限制值与设计控制值5‰D(D为隧道外径)进行了对比。通过对比表明:该收敛变形的限制值能够反映出管片接头处螺栓的受力状况,可以为地铁运营隧道的安全评判提供重要参考。     

地铁区间盾构管片收敛位移控制标准研究

结合杭州地铁1号线某区间工程,为确保区间隧道施工和运行期的安全,采用理论分析和数值模拟的研究方法,对管片变形的安全评价方法进行研究,利用收敛位移量测数据,采用智能反演分析方法得到管片作用荷载,结合梁-弹簧模型进行有限元计算,得到管片的内力(弯矩)值。最终基于管片结构极限状态下的变形量,提出以收敛位移作为管片安全评价的新判据,并给出了管片收敛位移的控制标准。     

数值分析结合自动化监测技术在地铁下穿工程中的应用

为确保地铁双线盾构隧道长距离平行下穿既有建筑物的安全,采用FLAC3D有限差分软件建立模型,获得施工过程中地铁盾构隧道所引起的该建筑结构的变形规律及影响范围,并提出针对性的监测方案。结果表明:(1)根据理论计算及实际监测,盾构隧道施工对既有建筑结构的影响范围为隧道上方及两侧20 m横向范围,因此应对该范围内的建筑结构进行重点监测;(2)为降低由于盾构施工造成的地层损失,及时对区间下穿既有建筑段下方隧道拱部管片外侧地层进行二次注浆加固很有必要,通过监测可知,该建筑结构最大绝对沉降值约为9.5 mm,最大差异性沉降值为10.5 mm,均满足评估单位给出的安全指标;(3)采用自动化监测手段,实时掌握建筑物的变形数据,通过调整盾构推力、土仓压力、掘进速度等掘进施工参数,最大程度降低对既有建筑结构的扰动。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

砂土地层盾构隧道超近距离下穿既有隧道变形控制技术研究

为研究砂土地层中盾构隧道超近距离下穿既有隧道变形控制措施,以西安地铁盾构区间隧道下穿地铁1号线出入段工程为依托,通过资料调研、数值模拟、现场试验和监控测量等方法,对既有隧道加固措施、盾构对地层适应性、掘进参数、隧道变形进行研究。结果表明:砂土地层盾构隧道超近距离下穿既有隧道,应对盾构进行专门设计,扩大刀盘开口率,配备专门的膨润土拌制和膨化系统,并避免在下穿影响范围内停机;数值计算和试掘进试验结果,盾构施工参数土仓压力为0.1 MPa,注浆压力为0.22 MPa,推力为10 000 kN,出土量为51 m^3/环,注浆量5~6 m^3/环;通过现场监测,盾构下穿过程中,既有地铁隧道轨道最大沉降及高差分别为6 mm和0.8 mm,符合规范要求,确保了地铁的安全运营,变形控制措施对既有地铁隧道作用十分显著。     

多点后方交会法在地铁竖井联系测量中的应用

竖井联系测量工作的可操作性及准确性对矿山法隧道施工至关重要。以广州市轨道交通21号线某标段2号隧道为研究对象,基于施工竖井结构及现场环境的特殊性,对用于辅助测量的4根钢丝距离和角度进行观测,再利用多点后方交会及钢丝坐标传递原理实现井上和井下坐标传递。研究表明,在隧道开挖至40~60 m、100~150 m、贯通前150~200 m处3个位置开展联系测量工作,可获得井下控制点坐标和方位;利用测量基线指导隧道施工,隧道最大横向贯通误差为38.8 mm,横向贯通限差为±100.0 mm,贯通测量成果良好。结果表明:基于多点后方交会法联系测量技术在地铁竖井联系测量工作中可以快速实现高精度的坐标、方位传递,指导隧道施工,弥补传统常规联系测量方法的不足。     

地铁盾构断面椭圆度检测及数据分析研究

在地铁隧道竣工检测和运营监测中,盾构断面椭圆度是隧道变形和维修整治的关键指标,对其高效准确地测量是一项重要的工作。随着与日俱增的交通需求和施工技术的快速发展,地铁竣工验收、运维监护对断面测量的精度、效率以及信息全面性等方面的要求越来越高。介绍盾构管片椭圆度的多种测量方法和数据处理原理,并对其优劣性进行对比分析。针对盾构管片断面变形规律的复杂性,利用大量实例数据,统计分析管片椭圆的旋转角、横向收敛、椭圆度等参数的关联和分布情况,发现横向收敛与椭圆度有很强的相关性,且椭圆旋转角超过一定数值对常规水平收敛测量也有影响,即横向与水平直径的偏差不容忽视。因此,横向收敛作为管片结构安全评估的重要参数,将椭圆长轴作为收敛基线更能客观反映实际变形情况,该结果可为类似工程提供一定的参考价值。     

大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响分析

以厦门地铁1号线集美中心站站后停车线隧道工程为背景,采用FLAC3D三维有限差分软件,对此大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响进行了三维数值分析。分析了CRD(交叉中隔墙)四步开挖法、CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)及CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分先开挖)对盾构隧道的影响,揭示了盾构隧道位移和管片弯矩的变化规律:大断面矿山法隧道开挖时对先施工的小净距盾构隧道产生4~9 mm的位移值,盾构管片产生80~170 kN·m的弯矩值。另外,CRD四步开挖对盾构隧道不利,盾构隧道的位移和弯矩分别增大约33%和6%,并且靠近盾构隧道的部分对盾构扰动更大,因此,推荐使用CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)。最后对比分析了盾构隧道的现场监测位移值和数值模拟结果。