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。     

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。     

强震作用下大断面海底盾构隧道管片环缝防水性能

为探明强震作用下导致的盾构隧道管片接缝大张开情况下的防水性能,以在高烈度区修建的大断面海底盾构隧道——苏埃通道工程为依托,通过有限元数值分析建立纵向等效刚度模型及隧道全长震动分析模型,确定了高烈度区强震作用下管片环缝的震动张开量,并根据张开量的大小类比既有大断面盾构隧道防水标准,建立了高烈度区强震作用下大断面盾构隧道环缝防水指标;通过接缝防水试验,优化了密封垫及沟槽截面尺寸,并据此提出了强震作用下的大断面海底盾构隧道管片环缝防水的合理形式。结果表明:强震作用时三段硬岩凸起处、接收井处及多地层交互处环间接缝张开量显著大于其他区段,其环间张开最大值远大于既有大断面盾构隧道的张开量,应对此类区段采取特殊的抗震措施,降低环缝张开量;仅增加密封垫的厚度达不到强震条件下的防水要求,并且密封垫的压缩应力会急剧提高,于管片拼装不利,同时提高密封垫截面并加深密封垫沟槽可提高抗水压能力,且密封垫的压缩应力能达到一个合理值,不影响管片的拼装效率。研究结果可为苏埃通道工程及类似工程的管片接缝防水设计提供参考。     

潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道--苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度; 建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况; 进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明： 较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量; 潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。     

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‰。     

盾构隧道管片接头嵌入式密封垫防水性能探究

为解决传统密封垫易于与混凝土管片胶结处发生渗漏水的问题，对新型嵌入式密封垫的防水性能进行研究。与传统的现场粘贴防水橡胶密封垫的工艺不同，嵌入式密封垫是将密封垫与混凝土管片整浇预制。采用模型试验和有限元数值模拟方法，对隧道接头中嵌入式密封垫的防水能力进行分析和论述。研究结果表明： 文中所涉截面形式的嵌入式密封垫在控制工况，即张开量7 mm、错缝量10 mm的情况下，满足上海深层排水调蓄隧道0.6 MPa的耐水压力要求，且弥补了传统密封垫易从密封垫与混凝土接触面渗漏水的缺陷。此外，通过在密封条两侧设置凹槽，可有效减小密封垫脚部与混凝土间接触应力，减少局部应力集中，保证混凝土管片的完整性，提高接头防水能力。     

和燕路隧道盾构防水密封垫极限防水性能试验研究

为对超出设计允许张开量、错台量情况下的盾构隧道接缝防水性能进行评价，探究满足防水要求的密封垫极限张开量、错台量，基于南京和燕路长江隧道工程，选取设计的2种密封垫开展极限张开与极限错台工况下的防水试验，得到密封垫在张开量与错台量超出设计允许值后其防水性能的变化规律。1）在密封垫张开量超过设计允许张开量后，密封垫防水性能随张开量的增大逐步减小，且减小幅度随着张开量的增大逐渐增大。2）错台量超过设计允许错台量后，随着错台量的增大，密封垫的耐水压能力总体呈波动式减小的趋势，直至错台量达到某一临界值，其防水性能迅速下降，直至失效。对于存在张开量与错台量超出设计允许值风险的水下盾构隧道，建议在设计时考虑其在极限工况下的防水性能。     

盾构隧道管片密封垫防水失效模式及改善研究

为探究盾构隧道防水失效形态、接缝密封垫失效模式及密封垫防水能力改善方法，首先基于统计资料，分析在建盾构隧道渗漏的宏观形态； 其次利用ABAQUS软件建立二维模型，采用平均接触压力作为评价指标，分析盾构隧道管片接缝处于不利工况下的失效模式； 最后结合橡胶硬度参数、密封垫孔洞参数调整，研究密封垫防水性能改善方法。主要得到如下结论： 1）错缝拼装盾构隧道渗漏的主要形态是管片接缝渗漏，且多发生在T字缝。2）对密封垫防水危害最大的是管片接缝张开和外张角，且渗漏均发生在密封垫与密封垫接触面。3）密封垫垫间平均接触压力与橡胶硬度呈线性正相关； 从密封垫垫间平均接触压力的保持效果来看，调整闭合孔的效果最好。     

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明：（1）双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。（2）单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。（3）提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。     

武汉长江隧道管片接缝防水密封垫设计与试验研究

盾构隧道管片接缝防水是隧道防水的关键,直接影响到隧道的防水效果和隧道的耐久性。采用国内外理论与实践经验,进行管片接缝防水密封垫初步设计,然后模拟施工极限装配误差,对初步设计进行防水性能与装配性能实验。根据实验结果对防水密封垫断面尺寸与结构形式及材料进行优化,并最后确定最优的防水密封垫设计。因此,对于管片接缝密封垫设计,通过防水性能与装配性能实验优化设计应该成为设计中的重要步骤,对保证管片密封垫防水性能及管片拼装质量具有重要的意义。     

上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝密封垫形式试验研究

为使接缝处弹性密封垫在张开8 mm、错位10 mm的情况下仍能满足1.2 MPa高水压长期防水性能设计要求以及保证盾构拼装能力,对采用双道耐高水压密封垫的上海市深层排水盾构隧道工程接缝防水密封垫断面形式进行设计。对不同断面密封垫进行防水性能以及闭合压缩力数值模拟,通过对比分析、不断优化,得到防水和力学性能较优的密封垫断面形式,并进行管片接缝防水性能试验和闭合压缩力试验。试验结果表明:采用推荐断面形式的密封垫在邵尔A硬度为67度时,在精确装配下和接缝张开8mm、错位10 mm的情况下均满足1.2 MPa的长期防水能力要求,且适应盾构的拼装能力。     

苏通GIL综合管廊超高水压盾构隧道接缝防水性能试验研究

为解决苏通GIL综合管廊隧道工程超高水压盾构隧道接缝防水设计这一关键问题,首先,通过经验类比与理论分析,提出采用双道密封垫的接缝防水形式。考虑该隧道内部高温的不同影响,近管片内弧面的内道密封垫与近管片外弧面的外道密封垫设计水压值分别设定为1. 92、1. 60 MPa。然后,结合数值模拟分析,设计并筛选得到内外双道密封垫断面型式。最后,通过压缩性能试验和防水性能试验分别测得试验断面的密封垫压缩性能、闭合压缩力及防水性能。试验结果表明:设计的内外道密封垫接缝在张开量为8 mm、错缝量为15 mm时,防水能力分别达1. 94、1. 80 MPa,可满足本工程的防水性能要求。     

基于施加水压的盾构接缝防水机制数值分析

为得到盾构隧道接缝间弹性密封垫在水压力作用下的真实响应以及防水失效机制,结合杭州地铁1号线接缝防水设计工程,建立完整的弹性密封垫受水压作用下的数值模型并验证其合理性。基于该模型提出弹性密封垫受水压作用的数值模拟方法,对弹性密封垫在不同张开量下的防水性能、接触应力分布以及防水失效模式进行研究,提出基于施加水压的防水性能评价方法。研究结果表明： 当弹性密封垫张开至设计中限定的6 mm时是可以满足防水设计要求的,当张开量达到9 mm时,弹性密封垫会发生防水失效,失效位置出现在弹性密封垫间。     

斜井隧道双模式盾构推进油缸布局优化研究

盾构推进油缸的布局合理性关系到隧道管片拼装质量,在斜井隧道施工中则更为突出。以煤矿斜井双模式盾构为例,通过分析不同掘进模式和工况下推进油缸布局优化条件以及根据单个管片受力均匀、管片环整体受力平衡及各分区推力均方差最小的优化原则,完成推进油缸的位置及分区优化。推进油缸布局优化后,各管片受力均匀,衬砌环整体受力平衡,各分区推力相近,有利于避免管片被压溃,研究结果对盾构推进系统的选型和设计有指导作用。     

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。     

盾构隧道管片接缝复合型密封垫选型设计研究

为研究盾构隧道管片接缝复合型密封垫中遇水膨胀橡胶块对其防水性能的影响，从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发，提出基于遇水膨胀橡胶块几何尺寸及截面形式的复合型密封垫选型设计方法。利用该选型方法对中孔通用型复合密封垫进行数值选型分析，采用ABAQUS网格间求解变换技术，研究不同遇水膨胀橡胶块截面类型和尺寸对复合型密封垫防水性能的影响，得到复合型密封垫防水性能和压缩性能的变化特征，确定原复合型密封垫的最优化选型结果。结果表明： 1）考虑遇水膨胀橡胶的防水性能后，复合型密封垫的二次防水性能有所提高； 2）与六边形截面形式的遇水膨胀橡胶块相比，梯形截面形式的遇水膨胀橡胶块能够大幅提升中孔复合型密封垫的防水性能； 3）复合型密封垫的压缩量与压缩力的关系呈现出阶段性变化特征，变形较小时表现为线性关系，随着变形逐步增大逐渐过渡为非线性关系。     

装置材料对防水试验中密封垫性能的影响

为研究管片密封垫防水试验中不同装置材料下密封垫性能的差异,采用弹性力学理论对钢制装置和混凝土装置下密封垫的耐水压力和装配力进行研究。以管片接缝密封中常用的三元乙丙密封垫为研究对象,对钢制装置和混凝土装置下的密封垫进行防水试验,研究2种不同装置下密封垫的装配力和耐水压力与张开量的关系。研究结果表明:1)钢制装置下密封垫的竖向应力比混凝土装置下密封垫的竖向应力大,导致其耐水压力高于混凝土装置;2)2种装置得出的装配力-张开量和耐水压力-张开量曲线变化规律相似;3)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫的防水试验时,应将张开量减小一定的数值;4)在密封垫的防水试验中应尽量采用混凝土装置进行测试;5)采用钢制装置代替混凝土装置进行混凝土管片密封垫耐水压力测试时,应对试验数据进行平移转换。     

管片接缝螺栓孔外侧双道密封垫合理布置型式研究

目前普遍使用的单道三元乙丙橡胶密封垫防水型式无法满足水下盾构隧道管片接缝防水新要求,而既有的双道密封垫防水体系受螺栓孔防水性能的限制无法充分发挥其应有的防水性能。依托江阴靖江长江隧道,提出将双道密封垫均放置于螺栓孔外侧的新型防水体系,并结合设计对比分析双层密封垫连续布置和间隔布置2种型式的防水性能。基于不同的沟槽布置形式,设计可更换内胆的T字缝耐水压测试设备,并开展室内物理模型试验,研究结果表明： 1）螺栓孔外侧连续布置的双道密封垫的防水性能表现不佳; 2）在讨论连续布置双道密封垫的匹配策略时,发现“外主内辅”对整体防水性能有2.02%的提升,“外辅内主”则导致整体防水性能下降4.71%; 3）较单道密封垫,螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水体系的整体防水性能可提升9.68%~16.13%。     

不同接触并存的管片接头力学分析

大型管片接头接缝面趋于复杂化，使得接头受力和变形也将有复杂反应。采用能模拟接头复杂特性的管片接头力学模型，对管片接头在同一接缝面上并存的2种不同接触情况进行力学分析。研究表明： 1）当外侧缝隙量适当增大时，能延缓管片接头混凝土压溃，提高接头破坏弯矩的水平，并促使破坏形式从混凝土压溃的脆性破坏向螺栓屈服的塑性破坏变化，对结构设计有利； 2）当接缝面中部夹填适当厚度的局部承压衬垫时，弯矩与转角关系曲线趋于直线形，抗弯刚度水平没有明显下降，接缝张开量也没有增大，接缝面中部区域承压始终较充分，对防水有利； 3）当同一接缝面上的2种接触的尺寸或材料选取不当时，会引起接头性能明显下降，需谨慎设计。     

不同错台量对复合型密封垫影响及长期防水预测

为研究盾构隧道管片接缝不同错台量对复合型密封垫防水性能的影响,从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发,在不同错台量条件下分别从密封垫-密封垫接触面和密封垫-密封槽接触面2 个方面分析复合型密封垫防水渐进失效机制,同时基于阿累尼乌斯方程的“P-T-t”三元模型对复合型密封垫长期防水性能进行预测。研究结果表明: 1) 复合型密封垫遇水膨胀橡胶块发生膨胀作用,能够有效增加密封垫间接触面应力,并且密封垫渗漏处主要出现在密封垫与密封垫接触面上; 2) 对于密封垫与密封槽接触面防水能力,随着接缝错台量的增大,对遇水膨胀橡胶块膨胀作用的影响显著; 3) 管片接缝间的张开量和错台量对复合型密封垫的长期防水性能影响显著,并且复合型密封垫长期防水性能随着老化时间先急剧下降后达到平稳状态。