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。     

破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构承载性能与变形控制指标

为确定破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构变形控制指标,考虑顶部堆载、侧向卸载2种常见荷载工况,开展了错缝拼装盾构隧道承载性能演化规律研究。首先,基于接头刚度等效原则提出了不设传力衬垫的管片接头简化模拟方法,通过与相关文献实测数据对比螺栓轴力计算结果,验证了该方法具有一定合理性和适用性;其次,基于接头简化模拟和荷载结构法进行了隧道结构承载性能数值模拟,分析了管片承载状态随断面变形的发展规律;最后,根据管片承载状态临界点,提出盾构隧道结构安全等级划分方法和断面变形控制指标。研究结果表明:2种工况下管片承载构件屈服顺序存在差异,顶部堆载工况下屈服顺序为拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰内侧混凝土,而侧向卸载工况下为拱顶、拱底纵缝螺栓,拱腰外侧钢筋,拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰螺栓;考虑隧道耐久性、承载安全性以及结构加固时机,堆载工况下断面变形椭圆度控制值分别为0.712%、1.694%、2.156%,卸载工况下分别为0.876%、1.873%、2.757%。     

考虑收敛变形的通缝拼装盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算分析

为了研究运营地铁通缝拼装盾构隧道长期沉降过程中衬砌结构横向变形对其纵向变形和受力的影响,基于上海轨道交通8号线西藏北路站—中兴路站运营盾构隧道现场试验监测数据,对等效连续化模型进行修正,考虑隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算方法进行对比分析。结果表明:1)弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。2)结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。3)在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

盾构法隧道穿越活动断裂带方案探讨

为研究隧道穿越活动断裂带的合理抗错设计措施,结合胶州湾第二海底隧道采用案例调研、数值模拟等手段分析了3种不同抗错方案下隧道结构变形、接缝张开、错台形态以及钢筋应力、螺栓轴力等关键控制指标,探讨不同措施的抗错效果。研究表明： 1）3种不同抗错措施在断层错动作用下管片结构沿纵向受力变形规律相同,断层错动对隧道结构影响主要集中在破碎带上盘边界外30 m到下盘边界外30 m的范围; 2）断层错动作用下钢筋受力整体表现为“顶底部钢筋受压、两腰部钢筋受拉”状态,环宽1.5 m钢筋拉应力最大为436 MPa,3种工况下钢筋均未发生屈服; 3）环宽1.5 m管片环缝张开量为3.8 cm,比其他2种工况减小60%~70%; 4）提出了管片环宽1.5 m以及抗震设防区域为上盘左边界2D至下盘右边界2D（D为15.0 m）范围的抗错设计方案。研究成果对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案研究具有一定的参考作用。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

隧道波纹钢板套衬接头抗弯性能有限元分析

为进一步探讨隧道波纹钢套衬结构纵向连接接头的安全性和适用性问题，对不同型号拼装式波纹钢板纵向接头抗弯力学性能进行研究，选取200 mm×55 mm、300 mm×110 mm和400 mm×150 mm 3种型号波纹钢板试件进行接头抗弯数值模拟。共设计12种工况，对比不同规格螺栓的应力分布规律、变形破坏形式及不同螺栓预紧力条件下的法兰板极限承载力及变形破坏特征，就螺栓应力、跨中挠度、极限承载力、法兰板接缝张开量及塑性破坏等方面进行深入分析。研究结果表明： 1）螺栓主要受拉弯变形，内侧螺栓较外侧螺栓受力更大，率先达到屈服状态； 2）接头薄弱点主要在于法兰板，其更容易发生变形破坏； 3）螺栓预紧力对波纹钢板的极限承载力、跨中挠度及接缝张开量均有一定的影响； 4）大波形波纹钢板极限抗弯承载能力约为深波形和中波形的1.36倍和1.67倍。     

盾构法施工荷载对小半径曲线隧道管片防水性能的影响研究

为探究小半径曲线盾构隧道施工过程中施工荷载对管片防水性能的影响，依托深圳国际会展中心配套市政项目盾构段，选取油缸推力和螺栓预紧力作为主要施工荷载，采用ANSYS建立管片结构模型和弹性密封垫模型，对施工荷载下管片的张开量以及相应张开量下的管片防水性能进行研究，得到施工荷载对管片防水性能的影响。研究结果表明： 1）油缸推力对环缝影响较大，会加大环缝张开量，但对纵缝影响较小； 2）管片间弹性密封垫的防水性能随管片张开量的增加先增大后减小，在张开量为2 mm以及大于6 mm时存在渗水风险； 3）以张开量2 mm为计算控制标准，油缸推力使直线段管片防水性能下降8%，曲线段下降15%； 4）增大螺栓预紧力能略微提高直线段管片的防水性能，但对曲线段管片的防水性能无影响，曲线段整体防水性能较差。     

纵向力对带榫管片环缝剪切破坏机制影响研究

为明确带榫管片环缝剪切受力机制及剪切受力过程中纵向力对管片结构环间接缝抗剪性能的影响,采用苏通GIL （Gas Isolated Line）综合管廊工程所用带有分布式凹凸榫的原型管片衬砌,通过局部原型试验,对带榫管片结构在考虑不同纵向力作用下的受荷过程中环间螺栓应力、环间分布式凹凸榫表面应力、环缝张开量进行了研究。结果表明：①不同纵向力作用下带榫管片结构环缝剪切受力机制不同,纵向力较小时环缝凸榫受力破坏方式为多次的凸榫混凝土冲削损伤破坏,而纵向力较大时环缝凸榫破坏方式为单次的混凝土剪切破坏,凹凸榫之间形成剪切破坏面。②不同纵向力作用下带榫管片结构环缝凹凸榫破坏最严重位置均靠近纵向接头处,为中间凸榫;两侧凸榫损伤程度较弱,纵向力较小时两侧凸榫损伤程度高于纵向力较高时。③环间纵向力的增加有助于提高带榫管片结构环缝的抗剪能力,可使凸榫均匀受力,同时降低凸榫的损伤程度,避免局部区域环缝接头与凸榫表面的应力集中;实际工程中可通过螺栓复紧等方式保持环间纵向力。④对于环缝张开量的控制是保持纵向力的主要目的,在实际工程中,可通过环缝张开量的状态与发展,通过分阶段分析凸榫受力模式,评估环缝凹凸榫抗剪能力的发挥程度,以达到充分利用榫槽抗剪性能的目的。     

基于螺栓-凹凸榫连接的地铁盾构隧道管片环缝接头刚度分析及应用

为研究盾构隧道纵向计算模型中螺栓-凹凸榫型式环缝接头刚度的非线性力学特性,分别建立管片环缝张开与错台模式下的环缝接头计算模型,通过分析不同环缝变形状态下接头连接构件力学特征,得到环缝抗拉和抗剪刚度的非线性规律;环缝接头采用非线性抗拉、抗剪弹簧模拟,构建基于三维实体-非线性弹簧单元的盾构隧道纵向沉降计算模型,并将其用于评价地面堆载对厦门地铁2号线滨海区段管片结构安全的影响。结果表明,对于外径6. 7 m、内径6 m、环宽1. 5 m、环缝由M30螺栓连接的盾构隧道:1)环缝张开超过1. 78 mm时,接头抗拉刚度降低为设计值的1%;张开超过10. 2 mm时,可认为抗拉失效。2)环缝错台小于6 mm时,抗剪刚度基本不变;错台超过9. 7 mm后,抗剪刚度降低至约为设计值的25%;错台超过30 mm时,可认为抗剪失效。3)隧道轴线方向的地表超载范围为d,管片纵向变形受影响范围为±3d,轴线50环管片差异沉降小于23 mm时,可满足曲率半径不小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》控制值15 000 m。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

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。     

装配式波纹钢板综合管廊连接节点抗震性能分析

为探究波纹钢板综合管廊在低周循环往复荷载作用下的滞回性能，以某波纹钢板综合管廊实际工程为依托，采用数值模拟与试验相结合的方法，研究管廊在横向、纵向、竖向共6种荷载工况下的抗震性能，以及法兰连接、法兰厚度、管廊壁厚（波纹钢板厚度）、螺栓位置等参数对结构滞回性能的影响。研究结果表明： 1）在低周循环往复荷载作用下，波纹钢板综合管廊塑性变形能力强，抗震性能良好；但管片拼装节点处是其薄弱位置，易发生脱开现象。 2）法兰对结构力学性能及滞回性能的影响显著，但法兰厚度改变对其影响较小。 3）环向法兰上螺栓的位置对结构纵向滞回性能影响较大，对其他方向滞回性能则几乎无影响。 4）波纹钢板厚度是影响结构抗震性能的关键因素。     

盾构隧道管片接缝密封垫防水性能及受施工荷载影响研究

为研究盾构隧道接缝密封垫防水性能及施工荷载对其影响,依托某地铁盾构隧道工程自主研制密封垫防水性能足尺试验装置,设计并开展相应的足尺试验。在此基础上,建立密封垫数值分析模型并结合试验结果验证了其可靠性。借助数值分析得到了不同错台量条件下的密封垫防水性能变化规律。最终,构建了盾构隧道三维荷载-结构模型,综合考虑注浆压力、千斤顶推力和盾尾刷反力等施工荷载,探究了接缝变形特征及其对密封垫防水性能的影响情况。研究结果表明:极限状态下工程原设计密封垫无法满足设计水压要求;接缝错台量增大将导致密封垫偏心受压越发严重,可能引起欠压侧支腿翘起;相同施工荷载下,最大环缝变形为最大纵缝变形的1.5~2.0倍,环缝密封垫防水性能降低程度更大;确定密封垫极限状态时有必要考虑施工荷载造成的接缝变形。所提出的足尺试验装置能够很好地实现试验目的,相应方法与结果可为后续盾构隧道接缝密封垫防水性能足尺试验研究提供参考和指导。     

逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

为指导隧道穿越活动断层时的抗错断设计,避免逆断层黏滑错动造成跨断层隧道结构的严重破坏,以棋盘石隧道为工程背 景,通过 1 ∶ 50 相似模型试验,研究逆断层黏滑错动所引起的山岭隧道破坏模式,分析隧道和地层变形过程及破坏特征,得到以下 结论: 1)逆断层错动在断层迹线附近地层形成剪切带,剪切带沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向发展。2)断层错动对 试验装置上盘内隧道变形破坏的影响大于下盘,最大土压力和最大纵向应变主要分布在上盘隧道中; 土压力和纵向应变变化规律 相似,均随错动位移的增加而不断增加。3)隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏,局部伴随张拉破坏,剪切破坏主要表现为变形缝 两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝;断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D(D 为隧道洞径)区域,尤其是试验装置 上盘部分,在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视。     

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。     

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。