水下圆砾地层盾构隧道施工荷载实测及其力学响应研究

为研究水下盾构隧道穿越圆砾地层时管片结构施工期间受力的影响因素,以常德沅江越江隧道为依托,选取东线隧道水头最高位置对应的管片环,采用连续动态测量,提取管片从拼装完成至盾构远离过程中管片结构内力和地层水压力,并提取盾构施工中同步注浆压力和盾构顶推力,与管片内力数据进行对比分析,得出施工过程中影响内力变化的因素。主要结论有:1)同步注浆对管片内力的影响较为显著,且主要通过对地层水压力的影响来实现,其中,脱环后前3次注浆对管片内力影响最为显著; 2)顶推力对管片内力产生一定的影响,且主要通过对管片纵向受力的影响来实现,顶推力对内力产生负向影响; 3)管片受力稳定后,环向轴力稳定在3 700～5 000 k N,弯矩稳定在-200～200 k N·m,纵向轴力稳定在0～2 500 k N,整体呈现出轴力大、弯矩小的状态,管片健康程度较好。     

盾构管片上浮量变化规律及简化算法研究

在大多数软弱土层盾构隧道施工中管片上浮问题十分突出,严重时往往会导致管片破损和接缝错台。为诠释该现象的发展过程,为其预防控提供合理化建议,从实际出发,利用现场试验对管片脱离盾尾后管片上浮全过程进行了跟踪监测,并记录了各上浮管片的隧道收敛变形量加以分析。分析发现,管片脱离盾尾后的上浮规律大致分为加速阶段、平缓阶段和稳定阶段,并且第一阶段管片上浮最快,其上浮变化量占总上浮量的80%左右。隧道管片脱离盾尾后随着同步注浆浆液初凝时间的延迟,其上浮量逐渐增大,当浆液初凝后上浮量增幅变缓。伴随着盾尾管片的上浮,隧道收敛变形也随之线性增加,管片的竖向压缩量与水平拉伸量的比值大体介于0.6~0.9之间,呈现“横鸭蛋”形态。此外,提出了一种简化的盾构隧道管片上浮计算方法,该方法同时考虑了注浆浆液黏度时效性、静态上浮力、地层卸载回弹力、注浆压力、管片自重及环缝处管片摩擦阻力的影响。     

基于地基回弹因素的盾构隧道管片上浮预测

针对软弱地层盾构隧道管片脱出盾尾后出现的上浮问题,分析盾构施工过程中管片上浮的诱因,得出软弱地层中管片的上浮主要是地层应力重分布产生的地基回弹力引起的。在此基础上建立隧道开挖动态模型,分析隧道上浮量变化规律以及地层特性对管片上浮量的影响规律,得出地层弹性模量和管片上浮量呈一定的指数关系,且弹性模量对管片上浮量的影响远大于地层黏聚力和内摩擦角。通过力平衡理论计算盾构开挖引起的地层回弹力、管片上浮量以及隧道上浮影响的地层高度范围,并通过对珠江狮子洋工程管片上浮量的计算与实测对比,证明该公式的合理性,为盾构隧道工程中考虑地基抗力引起的管片上浮量预测提供一种新的方法。     

冻结降温导致地铁盾构隧道漏水的数值与理论分析

为研究地铁盾构隧道正上方基坑冻结开挖诱发隧道环缝渗漏水的问题,采用数值分析方法建立三环管片衬砌结构的三维有限元精细模型,主要研究冻结降温作用对盾构隧道环缝、纵缝张开量的影响,并结合接缝处细部构造的特点对隧道环缝出现漏水的原因进行理论分析。结果表明： 1）盾构隧道管片纵缝、环缝张开量和螺栓应力随着冻结温度的降低而增大; 2）在地层荷载与冻结温度共同作用下,盾构隧道环缝最大张开量为纵缝最大张开量的4.2倍; 3）环缝张开使得接缝处管片与橡胶密封垫接触不紧密,进而导致橡胶垫与接缝槽接触产生的摩擦力小于水压力,这是隧道漏水的主要原因。     

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。     

考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用

大直径盾构隧道管片上浮问题是目前隧道建设难点。以大直径盾构隧道施工阶段管片上浮问题为背景,研究硬岩地层大直径盾构管片上浮影响因素,并考虑管片壁后同步注浆的填充效果,深入探究大直径管片上浮规律,为盾构施工速度和注浆效果的控制提供参考依据。根据硬岩地层大直径盾构注浆填充率不足的特点,从管片横向受力角度建立单环管片上浮计算公式。基于弹性地基梁理论建立隧道纵向上浮分析模型,通过梁的挠曲线微分方程并结合边界条件与变形协调方程,推导出考虑浆液填充率和时效性的管片上浮变形及内力的简易解析解,进而采用总量法获得了隧道纵向多环累计上浮量。结合工程实例进行了参数敏感性分析,研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际工程监测数据吻合良好,能够有效揭示隧道上浮过程中的变形规律、管片弯矩和剪力变化特征;上浮规律表现为激增段、缓降段和平稳段;浆液填充率、时效性和地基基床系数对大直径盾构上浮比较敏感,盾体间隙的增大易导致填充率不足,同步注浆应严格控制注浆压力和注浆量;浆液初凝时间和掘进速度直接决定单次注浆影响范围和上浮力大小。研究结果可用于盾构隧道管片上浮及变形预测,在掘进过程中可根据影响因素与上浮关系进一步调整施工参数,对大直径盾构隧道设计与施工具有一定指导意义。     

地铁大直径盾构隧道管片结构设计计算研究

管片是盾构法隧道的重要组成构件,是控制隧道工程造价和隧道结构安全的重要因素。目前,内径6 m地铁盾构隧道管片在国内比较少见,本文简要介绍了该种管片的厚度、宽度、分块等结构参数、结构计算模型及计算方法,并以深圳地铁11号线某盾构区间为例,进行了数值模拟分析研究。结果表明:大直径盾构隧道管片的受力行为与常用的普通直径盾构隧道管片类似,结构配筋主要由裂缝控制,管片的某些特殊部位应加强配筋,已达到防止管片开裂的目的。     

防水失效的盾构隧道管片环收敛变形控制标准研究

盾构隧道日常健康监测中,弹性橡胶密封垫工作性态难以直接快速评估,针对该问题,提出以隧道收敛变形为监测指标,采用数值模拟方法计算得到防水标准条件下的弹性密封垫极限松弛量,并结合接头刚度的迭代算法由管片环梁-线性弹簧模型确定弹性橡胶密封垫极限松弛量对应的管片环收敛变形量。由考虑地层差异设置的5种工况计算结果认为:埋深土层土体特性差异对防水失效的上海地铁通缝拼装式盾构隧道管片环收敛变形量影响不大,其控制标准可定为管片环外径D的3.5‰。     

复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片技术在实际工程中的应用

为解决由于施工原因导致的区间右线盾构隧道严重上浮事故,文章依托长沙地铁4号线长沙火车南站-光达站区间工程,根据事故隧道所处环境及地质条件,提出在软岩地层中利用复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片的处理方法,主要内容： 1）根据实测数据对线路进行拟合,确定缺陷盾构隧道的长度约为40 m,需处理管片为223～247环,共计25环管片; 2）采用模糊综合评价法对缺陷盾构隧道处置方案进行比选,结果表明在软岩地层中采用复合式衬砌全断面置换缺陷盾构隧道管片方案为最优方案; 3）采用有限元法分别研究单次拆除1环、2环、3环、4环管片时地层及管片的位移及应力变化,结果显示随着一次拆除管片环数的增加,围岩拱顶竖向位移逐渐增大并出现连通的塑性区,邻近第1环管片向隧道内竖向位移及向隧道外水平位移逐渐增大,管片逐渐被压扁,其弯矩、轴力值也逐渐增加,围岩及拆除区域附近管片结构体系越来越不安全,因此施工时需控制一次拆除管片的数量; 4）为确保管片置换时原盾构隧道结构体系的稳定,确保安全,做到快速施工,开发了一种新型台车及其施工方法,将其应用于实际工程。     

盾构快速掘进下同步注浆材料优化配合比设计

在台山核电取水隧洞施工过程中,管片监测结果显示1#隧洞前期上浮和错台较大,为防止管片上浮挤压破坏盾尾刷,同时解决上浮量较大时管片成型质量较差的问题,从同步注浆浆液配合比入手,采用配合比设计、试验改进配合比的方法,研究减水剂、聚丙烯纤维及絮凝剂对同步注浆浆液性能的影响。通过调整胶凝材料组分、水胶比,添加絮凝剂、有机纤维和减水剂,制备出可减少管片上浮、抗水分散性好、抗渗性好于一体的高性能同步注浆材料。根据实践情况,优化后的配合比能有效地减小管片上浮,满足盾构快速施工条件下的管片成型质量要求及盾尾抗渗水性能。     

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。     

黄土隧道马蹄形盾构工法选择及应用

目前铁路隧道施工以矿山法为主,但在黄土等软弱围岩隧道施工时风险大、进度慢;而盾构法已在地铁、水下隧道等软弱地层中得到了广泛应用。针对蒙华铁路砂质新黄土隧道:1)通过矿山法与盾构法比较确定采用盾构法施工。2)从开挖内轮廓、刀盘开挖特点、管片拼装方式、管片受力及配筋4个方面对马蹄形盾构隧道和圆形盾构隧道进行对比分析,得出马蹄形盾构隧道的断面利用率更高,马蹄形管片与圆形管片受力有所差别而马蹄形管片配筋量更低。3)介绍马蹄形盾构设备概况,并对马蹄形管片设计进行研究。4)例举马蹄形盾构掘进过程中遇到的防寒防冻、管片底部开裂和遇到含姜石的老黄土掘进困难等问题以及相应的处理措施。经过1年多的施工实践证明,在黄土隧道马蹄形盾构施工风险低,质量高,安全可靠。     

石家庄市轨道交通1号线小半径曲线隧道盾构施工技术

以石家庄市轨道交通1号线火炬广场站-石家庄东站盾构区间为实例,从盾构选型、管片选型、掘进参数、同步注浆、二次补浆、管片螺栓复紧等方面采取针对性的控制措施,成形隧道轴线控制在-50～+50 mm,管片错台控制在10 mm以内,地表沉降控制在-20～10 mm,成功解决小半径曲线隧道盾构施工轴线难以控制、管片容易产生错台、地表沉降较大等问题,对今后小半径曲线隧道盾构施工有一定的参考价值。     

标准环+转弯环的双面楔形盾构管片排版技术研究

为提高盾构隧道掘进的施工效率、降低盾构管片排版错误的风险,针对管片类型为标准环+转弯环（为双面楔形）组合的盾构隧道,提出一种错缝拼装形式的管片预排版方法,并采用几何迭代法求出与目标线路偏差最小的一种盾构管片拼装姿势,可有效解决盾构隧道掘进过程中管片类型选择和拼装点位选取的施工难题。最后以南京地铁3号线某区间为例验证所采取方法的正确性,对盾构隧道掘进的施工组织和施工误差控制具有重要的指导意义。     

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。     

考虑浆液黏滞特性的大直径盾构隧道管片上浮机理分析

通过对大直径盾构隧道管片进行受力分析,研究了盾构隧道管片的上浮机理,认为浆液产生的浮力是管片上浮的主要原因。考虑到浆液的凝固特性,浆液浮力将随注入的时间而减小,管片上浮运动状态将产生变化。基于此,认为管片脱离盾尾后的上浮量主要包括3部分:①管片在浆液中上浮运动产生的上浮量;②管片上覆土压缩引起的上浮量;③管片自身的受力变形。之后,考虑了浆液的黏滞特性,通过运动学及弹性力学的方法推导了管片上浮量的计算公式,并对上海某新建大直径公路隧道施工阶段管片的上浮量进行了计算对比。最后,结合管片上浮参数分析提出了管片上浮的控制措施。     

考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法

纵向抗弯刚度是盾构隧道的基本力学参数,其取值的合理性直接关系到盾构隧道纵向响应分析结果。针对盾构隧道纵向抗弯刚度取值未考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的问题,提出了一种考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法。首先,通过理论分析将盾构隧道的纵向挠曲变形考虑为均质圆管的纵向挠曲变形与管片环环缝张开导致的纵向挠曲变形两部分,并由此得到了盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法,其结果与管片材料的弹性模量、隧道外径、管片幅宽、环缝接头数量、环缝接头拉伸刚度和纵向残余顶推力等因素有关。然后,设计了可考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的缩尺模型盾构隧道,并开展了纵向抗弯刚度模型试验,分别对模型隧道的纵向挠曲变形量与环缝张开变形量进行了测试。最后,通过试验数据对纵向抗弯刚度解析算法进行了验证。结果表明：模型盾构隧道实测纵向抗弯刚度与理论算法求解得到的纵向抗弯刚度基本一致;当不施加纵向残余顶推力时,随着加载的增加,盾构隧道纵向抗弯刚度总体变化不大,而当施加纵向残余顶推力时,对于相同纵向残余顶推力,盾构隧道纵向抗弯刚度随着加载的增加而减小,并逐渐趋于稳定;在盾构隧道纵向响应分析中,需要减小纵向残余顶...     

基于等效梁模型的盾构隧道施工期管片上浮影响因素权重分析

为厘清盾构隧道施工期影响管片上浮各因素的权重大小,在明确管片上浮影响因素的基础上,基于盾构隧道纵向等效梁模型,以等效刚度的欧拉梁模拟盾构隧道衬砌环,以土体与浆液体等价弹簧来模拟土体与隧道之间的相互作用,编制有限元程序对模型进行求解,并以南宁某地铁盾构隧道施工期管片上浮实测数据来验证计算模型的合理性。采用敏感性分析法计算出各主要影响因素的权重排序,由大到小依次为浆液未凝固区长度、浆液压力、地层变形模量、隧道纵向刚度有效率和总推力竖向分力等,分析各因素的作用机制,并提出针对性的控制措施,以指导工程实践。     

基于隧道轴线控制的通用型管片主要构造参数设定研究

为适应复杂条件下盾构隧道管片构造设计要求，首先介绍一种通用环管片错缝拼装的预排版计算方法，然后详细分析管片构造的主要几何参数与隧道最小拼装曲线半径的关系，提出满足线路曲线半径拼装要求的管片主要几何参数组合，并基于某地铁区间的设计线路，比较不同管片楔形量对拼装误差的影响，得出管片楔形量过大会导致直线段或者较缓的曲线段拼装误差过大的结果，继而算出基于线路的最大、最小楔形量，提出管片楔形量建议值计算方法，并与3条地铁线路的管片选型进行对比验证。研究成果可为实际工程的管片选型及构造设计提供合理建议。     

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。