盾构施工阶段管片衬砌结构受力分析研究

为了解盾构管片衬砌结构的受力特性,解决盾构衬砌结构受力的数值分析难点,首先采用ANSYS分析系统对衬砌管片接头力学建立计算模型,通过模拟载荷试验确定管片接头刚度系数,进而利用销钉单元对衬砌管片按梁-弹簧计算模型进行分析,根据管片接头力学处理方式不同,与惯用计算方法和修正惯用计算方法的结果进行对比,最后对盾构在辅助油缸推力作用下管片的纵向受力进行三维模拟,对均匀施加油缸推力和偏心施加油缸推力进行分析对比,研究成果可对盾构衬砌管片设计提供依据。     

软土地基大直径地铁盾构隧道衬砌结构受力特性数值分析研究

为得到能真实反应软土地基大直径盾构隧道结构受力特点又能保证衬砌结构安全的设计模型,结合广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道结构现场实测结果,采用ANSYS软件研究适用于软土地基大直径盾构隧道衬砌结构设计的计算模型。基于反分析得到的设计模型,对水平侧压力系数、地基弹簧刚度、管片厚度、管片接头位置、管片分块数量等影响大直径盾构隧道衬砌结构受力特性的因素进行敏感性分析。结果表明： 1）采用地基弹簧模拟底部反力并通过调整弹簧的范围可得到既能真实反映衬砌结构受力特性又能保证结构安全性的计算模型; 2）衬砌结构受力对侧压力系数和管片厚度敏感,对地基刚度不敏感; 3）接头位置变化和管片分块数量主要影响布置地基弹簧范围内的管片受力。     

初始损伤条件下地铁管片力学特性试验研究

为了解初始损伤对盾构隧道衬砌管片力学特性的影响,基于6组具有初始损伤的盾构隧道衬砌管片进行足尺试验研究。在考虑初始损伤位置以及初始损伤位置处钢筋有效面积减小等因素的情况下,对试件破坏过程、破坏模式、极限承载力、变形规律以及初始裂缝扩展机制进行了研究和分析。试验结果表明:初始损伤的存在对盾构隧道衬砌管片的极限承载能力影响不大,但对其正常使用功能影响很大;初始损伤位置处钢筋有效面积减小不仅影响盾构隧道衬砌管片的正常使用功能,更大大降低了其极限承载能力;增加轴力会削弱初始损伤对盾构隧道衬砌管片的不利影响;初始损伤在加载点比在跨中对盾构隧道衬砌管片更不利;初始裂缝基本沿径向或偏向跨中方向直线扩展。相关研究结果可为建立服役期间盾构隧道衬砌结构健康评估与预知理论、以及进一步开展损伤缺陷盾构隧道数值模拟和极限承载力分析提供借鉴和参考。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

盾构隧道抗震减震措施主要有两个总体思路,即: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便有多种方式,比如: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。通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的分析。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。     

地铁区间盾构法隧道穿越岩溶填充区施工力学行为计算分析

地铁盾构隧道穿越岩溶填充区受力情况复杂,为保证施工安全和管片受力合理,采用有限差分程序建立数值计算模型,通过计算分析获得盾构穿越地层的受力情况。盾构隧道穿越岩溶填充区时虽然会产生一定的地表沉降,但在安全范围之内,管片受力也是合理的。     

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。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究

为保证合肥地铁盾构隧道的施工安全,基于合肥地层情况,通过PLAXIS 3D 岩土有限元软件模拟穿越软土、硬岩及复合地层 3 种不同地层条件的盾构掘进过程,研究开挖面支护力N、盾构钢壳锥度引起的收缩率C 和壁后注浆压力p 对地表沉降和围岩变形 响应的影响规律。研究结果表明: 1)支护力N 和注浆压力p 对地表沉降的影响受地层和埋深的限制较大,收缩率C 则相对较小; 2)从地表沉降上看,盾构掘进参数(N、C、p)对软土层的影响最大,复合地层次之; 3)p 对管片上浮和管片内力的影响显著,不宜设 置过高,软土层对p 最为敏感,硬岩和软硬复合地层次之。最后,将这些影响规律应用于合肥地铁4 号线某区间的盾构掘进参数控 制中,结合现场数据分析,结果表明盾构掘进姿态正确,地表沉降稳定,掘进参数合理可靠。     

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。     

盾构隧道同步注浆材料对管片力学行为的影响研究

同步注浆主要功能是控制地层变形和地表沉降，同时有效地防止管片在推进过程中发生过大的偏转，避免管片接头受力过大而发生破损。以现场实际工程为背景，通过建立地层-注浆层-管片耦合的三维数值模型，对同步注浆材料强度与管片力学行为之间的相互影响进行数值模拟研究，同时结合材料试验及现场监测数据对数值计算结果进行验证。     

软土大直径泥水盾构隧道施工期上浮的控制措施

大直径盾构公路隧道在近工作井区段覆土较浅,施工期易产生上浮现象。借助以往软土地区泥水盾构隧道的设计经验,通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作,得到可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜;间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。隧道抗浮的主要措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。     

明挖隧道施工期间下方共线地铁盾构区间上浮控制技术——以深圳市桂庙路快速化改造工程为例

深圳市桂庙路快速化改造工程与下卧深圳地铁11号线平面共线长达3 km。为解决上方基坑开挖过程中引起的下方既有地铁运营盾构区间上浮变形问题,在施工期对下卧盾构区间隧道进行长期自动化监测的基础上,结合数值分析计算,确定下卧地铁盾构区间产生上浮变形的原因。在对比分析开挖工况、地质条件、结构施工和开挖范围及长度等因素对盾构隧道上浮变形影响规律的基础上,结合项目施工上浮控制经验,提出三重高压旋喷桩和三轴搅拌桩地层加固、调整结构施工工序并采用分幅施工方案、提前施作竖井+抗浮板+抗拔桩等地铁盾构区间上浮变形控制措施。现场实践表明,竖井+抗浮板+抗拔桩措施对地铁上浮控制十分有效,能够确保基坑施工期间下卧地铁的运营安全。     

盾构隧道壁后注浆试验与浆液扩散机理研究进展

盾构隧道壁后注浆具有控制地层变形、确保管片受力均匀等作用,但壁后注浆施工中也常出现隧道上浮、管片破损、螺栓剪断等现象,壁后注浆效果与注浆施工参数的控制密切相关。为达到预期注浆效果,深入研究壁后注浆过程中浆液的扩散机理,提出合理的壁后注浆施工控制策略具有重要现实意义。基于目前国内外学者在盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理方面所开展的工作,从现场实测、模型试验、理论分析3个方面进行梳理总结,分析现有研究的进展和不足。在现场实测方面,目前常用的监测手段是探地雷达无损检测法和埋设仪器法;室内模型试验包括整体模型试验和局部模型试验,整体模型试验主要用于模拟盾构掘进过程中的同步注浆施工,局部模型试验主要用于分析浆液固结变形以及压力消散过程;在理论分析方面,当前主要从盾尾间隙特征、浆液流体特性以及浆液-土体相互作用机理研究浆液扩散过程,浆液扩散过程可概括为充填、渗透、压密和劈裂4个阶段,充填注浆浆液的扩散模型主要是环形充填扩散和扇形充填扩散,渗透注浆浆液的扩散模型有球面渗透扩散和柱面渗透扩散,压密注浆浆液的扩散模型有球形压密扩散和柱形压密扩散,劈裂注浆过程很少考虑;在数值计算方面主要侧重于研究盾构壁后注浆对管片受力和地表沉降的影响。最后,分别从盾构隧道断面形式、理论模型的地层适应性、统一扩散理论模型、浆液扩散微观机理等方面展望了盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理研究的发展趋势。     

双线地铁隧道泥水及土压平衡盾构施工地层变形特征研究

为分析圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层变形特征，以南宁地铁3号线东葛路站-滨湖路站区间盾构施工工程为背景，采用现场监测数据分析2种盾构施工时的地表横向沉降特征和监测点纵向沉降历程特征。利用FLAC3D软件对2种盾构工法进行简化模拟，验证模拟方法的可行性； 设计双线地铁隧道分别采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构、全部采用泥水平衡盾构、全部采用土压平衡盾构3种工况的模拟方案，研究3种工况下的地层变形特征。研究结果表明： 1)双线地铁隧道采用2种类型盾构施工时，地层沉降曲线偏向土压平衡盾构施工的隧道一侧； 采用同种类型盾构施工时，地层距离隧道越近，沉降曲线呈“W”特征越明显； 2)双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时各地层沉降较大，地表横向沉降影响范围约50 m； 采用泥水平衡盾构施工时各地层沉降相对较小，地表横向沉降影响范围约30 m； 3)3种工况下，双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时引起的地表水平位移最大。     

某盾构隧道施工对周边建筑物影响分析

盾构隧道施工会引起周围地层位移,从而对周边建筑物产生不利影响。为保证施工过程中周边建筑物的安全,在工程项目实施前需要进行安全评估。依托浙江宁波某在建盾构隧道工程项目,通过MIDAS GTS三维有限元分析软件对盾构隧道的掘进过程进行了模拟,分析不同程度施工扰动作用下建筑物的沉降位移。并结合当地盾构隧道施工的地表沉降监测数据,对上部建筑物的安全进行评估,提出盾构施工监测数据的关键控制指标。分析结果表明对于该工程,在盾构隧道的掘进施工过程中,位于其上方的建筑物安全可靠。通过该方法可以用既有的施工监测数据对建筑物沉降进行预测,为相关工程提供方法指导。     

南昌红谷隧道管节浮运监控技术研究

南昌红谷隧道是我国目前内河最大的隧道工程,浮运过程要经过3座大桥,且航道宽度只有70 m,水流情况复杂,这些都对浮运作业增加了难度。本文在计算沉管浮运中所受水流力的基础上,针对出坞、顺河流浮运和回旋区调头3种不同情况,制定了2种编队方案。根据工程实际需要,设计了浮运监控系统软件结构,采用C#和WFP技术实现了系统。在管节和拖轮上配置了RTK GPS、DGPS和惯导等导航设备,将浮运编队的实时位置信息显示给指挥人员,对管节出坞、过桥和回旋区调头等监控方法进行了详细描述,并实现了远程终端同步实时显示。目前已经完成了南昌红谷隧道多节沉管的浮运,实践表明系统稳定可靠,形象直观,今后可以应用到同类工程中。     

盾构刀盘形式对砂卵石地层扰动状态的影响

盾构刀盘形式的选择是砂卵石地层盾构掘进面临的关键问题。为解决这一问题,以兰州地铁1号线一期工程为背景,综合运用现场调查、实验室试验、三维离散元数值模拟、现场原位监测等方法,对砂卵石地层土压平衡盾构施工颗粒流动和地表沉降的机制进行了研究。1)通过室内大直径(300 mm)试样三轴压缩试验获得了砂卵石地层的应力-应变曲线,基于试验结果和EDEM离散元三轴数值试验,标定了离散元数值模拟需要的参数。2)基于Solidworks软件建立了面板式刀盘盾构和辐条式刀盘盾构三维机械模型。3)将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中,建立了砂卵石地层盾构掘进过程的三维离散元模型;将模拟结果与现场监测数据对比,揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层扰动状态和地表沉降的影响机制。面板式刀盘土压平衡盾构掘进,刀盘前方、上方的"强烈扰动区"范围为(0.3~0.5)D(D为刀盘直径);辐条式刀盘土压平衡盾构掘进的"强烈扰动区"范围不足面板式刀盘的1/3,且扰动程度轻。     

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。