土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验设计与应用

为提高对盾构施工相关问题试验研究的针对性，提出了土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验方法，并设计了模型试验相关装置；为避免多个关键影响因素相互影响，将盾构隧道施工过程中开挖掘进、管片拼装、同步注浆等关键操作环节分开依次进行模拟；为降低刀盘开口率试验研究相关成本，研制了几何相似比为1∶10且刀盘开口率可调的模型盾构机；为确保模型盾构隧道的纵、横向刚度相似性，设计了几何相似比为1∶10且纵、横向刚度可分别按需设置的模型盾构隧道，其管片环采用修正匀质圆环模型，管片环之间采用垫有压缩弹簧的螺栓连接；为方便试验并节省成本，模型盾构隧道采用外部拼装后再放入钢套筒内，以避免在狭小空间内进行管片拼装，且不加工管片拼装机；为实现注浆压力与注浆量的精准控制，设计了适用于室内模型试验的恒压同步注浆装置；利用模型盾构机开展了掘进施工过程中渣土输出控制对地表沉降影响的试验研究。分析结果表明：单位掘进距离的渣土输出量直接关系到盾构掘进过程中的超挖控制，从而影响地表沉降，当出土率小于1时，出土率变化对地表沉降影响较小，当出土率大于1时，出土率增大将显著加大地表沉降。为了最大程度地发挥整个模型试验的科研价值，在盾构...     

撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓失效及参数分析

为了研究高速列车脱轨撞击盾构隧道时接头螺栓参数对螺栓失效和管片的影响. 基于ABAQUS有限元软件,建立了盾构隧道管片衬砌分块拼装式模型,利用时速200 km/h列车12.5° 斜向撞击荷载曲线,通过设置接触面单元和具有抗拉、抗剪、抗弯3种刚度组合的连接单元,近似模拟了盾构隧道接缝混凝土接触效应和螺栓连接效应,开展了不同螺栓直径和不同螺栓强度级别下管片接头螺栓的失效研究. 研究结果表明:在列车撞击荷载作用下,接头螺栓主要发生拉伸失效和剪切失效两种失效状态,失效后螺栓拉力和剪力降低为0,并且螺栓失效一般是相对列车行进方向相继出现的;拉伸失效通常出现在被撞块后端纵向螺栓,而被撞块环向螺栓和前端纵向螺栓一般发生剪切失效;各螺栓发生失效的时间随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓直径的增大有所延后;不同螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在6 cm左右,提高接头螺栓的强度级别和增大螺栓直径,将减小被撞块管片最终位移较大值区域面积以及最终位移极大值的数值,但管片最终位移极大值数值的减幅在10%以内,说明改变螺栓参数无法明显减小管片最终位移.      

采用纵向等效连续化模型的盾构隧道纵向抗震分析

用与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元来模拟隧道结构的特性,建立盾构隧道纵向等效连续化模型,通过理论解析计算得到盾构隧道的等效拉压刚度和等效弯曲刚度。以软土地层中的盾构隧道为例,考虑地震裂度分别为7度和8度时,正弦位移行波在0°和45°方向上入射,采用反应变位法和动力有限元法,分别得到了隧道纵向上的最大拉、压力和弯矩以及螺栓和管片的受力、变形和接头螺栓的最大张开量。     

类矩形盾构隧道衬砌结构设计模型研究

为了得到适用于类矩形盾构隧道结构设计模型,通过整环足尺试验模拟类矩形盾构隧道在正常运营工况下的实际受力,得到试验结构的变形和内力,采用等效刚度模型和梁-弹簧模型对试验结果进行分析,得到有效的类矩形盾构隧道结构设计参数. 结果表明:采用等效刚度模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,难以得到同时符合结构长短轴变形的管片刚度折减系数;采用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,结构变形和结构内力计算结果和足尺试验结果较为匹配,能真实反应类矩形盾构隧道结构受力,选用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型更为合理,所研究类矩形结构管片接缝的抗剪刚度建议为341 × 106～368 × 106 N/m;负弯矩接缝抗弯刚度建议为114 × 106～491 × 106 N?m/rad,正弯矩接缝抗弯刚度范围为85 × 106～177 × 106 N?m/rad.      

超大直径盾构负环管片拼装技术

根据南京长江隧道Φ14.93 m盾构负环管片拼装的工程实例,介绍了超大直径盾构机负环管片拼装方案及采取的技术措施,为类似超大直径盾构负环拼装提供借鉴。     

荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型

为探讨盾构隧道管片结构的空间力学行为，采用厚壳、弹簧、空间实体和接触单元分析盾构隧道管片衬砌的内力状态，提出了荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型．该模型考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片与螺栓接头之间的咬合作用、地层对管片的径向与切向抗力作用、环向接头的正负抗弯刚度差异以及封顶块的插入角等因素．算例表明，壳-弹簧-接触模型与梁-弹簧模型的计算结果相差较小；轴力和剪力在壳体上的分布具有明显的空间性．     

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中，盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位，针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征，提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型，然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载，获取隧道最不利区域边界力，最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上，分析纵向接头细部构造受力特征；并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时，盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主，而纵向激励时，则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主；在纵向张开量最大的局部区域，不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况，该局部区域都处于受拉状态，两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响；当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时，最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位，最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.      

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响，基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程，选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况，开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验，从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同，其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力；封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大，管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%；封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显，易出现较大的纵缝张开，而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小，仅为前者的53.3%，且连接螺栓受力减小了54.4%；封顶块位于拱腰时，管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小，管片内部主筋更早进入受拉状态；封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大，在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

南京长江隧道原型管片结构破坏试验研究

为探明南京长江隧道管片衬砌结构的破坏特征,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统",对其原型管片衬砌结构进行了试验研究.将结构承受的水压力与土压力分离加载,并对大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏特征进行了探讨.研究结果表明:南京长江隧道管片衬砌的破坏主要以弯曲开裂为主;结构裂缝扩展往往伴随着结构变形和纵缝张开量的显著发展;不同拼装方式的结构变形、裂缝扩展与纵缝张开量存在较大差异,与通缝拼装管片结构相比,错缝拼装管片结构变形、纵缝张开量较小,而裂缝扩展较快.     

大直径盾构管片拼装技术

雅万高铁是中国高铁全产业链走出海外的第一单,1号隧道是雅万高铁全线咽喉工程,也是全线唯一采用大直径盾构施工的隧道。1号隧道为单洞双线隧道,采用外径12.8 m、内径11.7 m、宽2 m的通用型管片。以雅万高铁1号隧道盾构管片拼装为例,对大直径盾构管片拼装方法、关键技术、控制拼装精度、拼装顺序等进行系统介绍,为同类工程施工提供借鉴。     

地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算

采用三维有限元法对南京地铁区间盾构隧道管片接头的受力情况进行了数值模拟计算，研究了不同荷载作用下管片接头的变形、转角和抗弯刚度，探讨了接头转角和抗弯刚度的变化规律；通过转角、弯矩和轴力关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供了新的途径．数值计算结果表明，管片接头抗弯刚度随轴力增大而增大，随弯矩增大迅速减小并逐渐趋于稳定；轴力对抗弯刚度的影响随弯矩的增大而减小。     

盾构千斤顶不良顶推作用下地铁管片衬砌开裂特性

为指导地铁区间隧道施工盾构掘进控制和管片衬砌防裂设计,建立考虑接头-管片的盾构隧道装配式衬砌结构数值模型,基于混凝土弥散开裂本构模型,研究直线段管片衬砌在千斤顶轴向倾斜以及千斤顶端面侧移两种不良顶推作用下管片衬砌的开裂特性.研究结果表明：在上述2种不良顶推力下,顶推导致的管片衬砌裂缝主要分为封顶块螺栓孔裂缝、手孔纵向裂缝和管片环面纵向裂缝3类;当千斤顶出现轴向倾斜致裂时,拱顶封顶块环向螺栓孔处的裂缝宽度最大,且当轴向倾斜角度达到3°时,3类裂缝宽度均已超过施工的允许值;当千斤顶端面侧移致裂时,衬砌环面及封顶块环向螺栓孔位置处的宽度最大,其中端面整体向下侧移是最为不利的情况;管片衬砌开裂将导致裂缝位置处钢筋应力增大,相同开裂位置处的钢筋应力-裂缝宽度关系基本不受顶推力倾斜角度变化的影响,裂缝的宽度与钢筋的应力呈正相关关系.盾构施工时,应严格控制盾构掘进不良顶推作用,对容易产生裂缝的位置建议加强配筋以控制裂缝的发生.     

基坑近接既有地铁盾构隧道施工影响分区方法

为了确保基坑近接既有地铁盾构隧道的结构安全和正常运营,在对盾构隧道纵向等效刚度模型研究的基础上,建立了隧道纵向变形曲率与螺栓承载状态和线路正常运行要求的公式.结合沈阳某深、大基坑近接既有地铁盾构隧道施工工程的实际情况,通过改变既有盾构隧道相对新建基坑的空间位置关系,进行了多工况三维数值模拟计算分析,得到了基于桩锚支护的基坑近接既有地铁盾构隧道施工的强、弱、无影响分区图,并通过现场的沉降实测结果等验证影响分区标准和控制技术的有效性.研究结果表明:盾构隧道纵向变形曲率半径是基坑近接盾构隧道施工中隧道结构安全和正常使用的关键指标,可将盾构隧道纵向变形曲率半径作为近接影响判断准则;在确定基坑近接既有盾构隧道施工工程的影响分区时,可将盾构隧道轨道线形受影响的临界状态及管片接头极限状态下隧道纵向变形曲率半径,分别作为强弱影响区和弱无影响区的划分阈值.     

大型水下盾构隧道结构研究现状与展望

随着我国大型水下盾构隧道的日益兴建,一系列结构问题愈发凸显,对结构的安全性提出了挑战,大型水下盾构隧道结构已逐渐成为国内外研究的热点.针对大型水下盾构隧道在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的结构问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:隧道横向结构的力学特征与分析方法,纵向结构变形与稳定性,隧道结构及附属结构物的地震响应及抗震与减震措施.总结了近期的研究成果与新进展,包括:整环管片衬砌结构力学特征与分析方法,接头力学性能,隧道结构纵向稳定性,施工期流固耦合效应及上浮机理,施工荷载的影响,火灾的影响与评估,水环境作用下管片衬砌结构的长期耐久性及结构性能评价等.最后,讨论了尚存的问题以及相关结构问题的研究趋势.     

越江盾构隧道纵缝张开及收敛变形响应规律研究

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况, 是影响地铁正常运营的重要因素。 依托南京扬子江大断面盾构隧道, 建立了单环管片精细化数值模型, 以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性, 研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。 研究结果表明： (1) 纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素, 管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态; (2) 对于大变形情况 (＞8‰D), 提高螺栓预紧力不建议成为控制收敛的主要手段; (3) 得到的 “纵缝张开-收敛变形” 拟合公式, 可用于近似估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。     

大直径盾构隧道结构纵向设计参数影响分析

为了更加合理的确定盾构隧道纵向计算模型的参数,对盾构隧道进行合理的纵向受力分析。通过无量钢化的参数敏感性分析,结合大直径盾构隧道自身的特点,分析了纵向刚度有效率、地层物理力学参数中的弹性模量、泊松比三个因素对纵向计算模型计算结果的影响,为纵向计算模型的改进以及纵向结构计算参数的选取提供参考和依据。     

基于三维非连续几何模型的盾构施工模拟

以苏州地铁一号线工程为研究背景,建立考虑管片分块、连接螺栓及施工过程各因素的三维非连续几何模型,对盾构法施工过程进行仿真模拟.论述了盾构开挖系统模型的几何非线性方程组的推导过程,盾构顶进推力及注浆材料性质的计算方法.模拟计算结果显示：盾构管片内外侧表面大部分区域处于受压状态,拱顶与拱底部位及靠近连接螺栓的部分区域处于受拉状态;受盾构顶推力作用,盾构开挖面前方土体有一个典型的隆起区域,地表最大隆起值为2.5 mm,出现在盾构开挖面前方8.5 m处;盾构开挖面后方土体沿隧道纵向的沉降受注浆材料影响随时间变化,并逐渐趋于稳定;在盾构法施工中,各管片连接处的土体受施工影响明显,土体塑性区范围较大.     

车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制. 分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.       

考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性

为探讨水下盾构隧道施工期流固耦合效应对管片衬砌结构受力的影响,以广-深-港(广州-深圳-香港)铁路客运专线狮子洋越江盾构隧道为依托,建立了该盾构隧道数值分析模型,计算作用在管片结构上的水压,并对隧道施工和运营期间管片结构所受外荷载、内力进行了原位测试;将计算水压力施加到梁-弹簧模型上,得到考虑施工期流固耦合效应的盾构隧道结构受力.研究结果表明:受注浆压力影响,目标环管片刚脱环3~5环时,所受水压力波动较大;脱环10环后,随注浆压力的逐渐消散和流固耦合效应的消失,管片所受水压力接近于该处的静水压力.      

盾构通缝拼装隧道纵向错台的数值模拟分析

以上海轨道交通二号线西延段盾构隧道工程为背景,采用三维弹塑性有限元数值方法对盾构推进过程中管片结构进行模拟分析,获得了管片结构错台发生及发展的变化规律。进一步探讨了盾构千斤顶的顶力和螺栓的预紧力对错台大小及发展规律的影响,为盾构施工中减小错台,提高施工精度和质量,以及盾构隧道设计施工提供依据。