新型装配式衬砌在矿山法施工铁路隧道中的应用研究

为解决矿山法施工铁路隧道二次衬砌拱顶易出现的空洞、厚度不足、裂缝、掉块等病害，以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为依托，采用拱部预制衬砌替换现浇衬砌的方法，研究拱部衬砌预制工艺、高精度悬臂侧墙施工工艺、拱部预制衬砌运输及拼装施工工艺和拼装配套设备，并阐述装配式衬砌在施工中需重点解决的技术难题及对策，如采用高精度衬砌模板台车解决接头直线度的问题、采用全环通长定位筋解决悬臂侧墙钢筋骨架稳固的问题等，形成一套完整的新型装配式衬砌拼装技术。经现场应用表明： 1）采用“拱部预制衬砌+侧墙现浇”的装配式衬砌施工技术是可行的，可以有效解决矿山法施工隧道拱部质量缺陷问题，提高拱部衬砌质量； 2）新型装配式衬砌采用“L”型榫接头及大球形接头，大球形接头较“L”型榫接头更易控制施工质量，更易于拼装； 3）通过采用拱部预制衬砌高精度定制钢模、高精度悬臂模板台车、悬臂侧墙在混凝土浇筑过程中进行二次精调等关键技术，保证了接头施工精度，满足了拼装要求； 4）通过分析衬砌结构受力变形监测数据，得出隧道衬砌结构内力的受力变形规律； 5）新型装配式衬砌施工技术机械化程度高，施工过程中结构稳定可靠，安全性较高。     

L型接头混凝土衬砌模板台车设计

为解决铁路隧道二次衬砌拱顶背后空洞、衬砌厚度不足、掉块等问题，提出混凝土预制技术与现浇技术有机结合，二次衬砌拱部使用预制管片，其余部位依然使用现浇混凝土的技术方案，为此研制L型接头混凝土衬砌模板台车。重点介绍该台车的结构组成和设计，确定设计方案和参数，简要说明在重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道的现场应用。该台车的使用能缩短施工工期，减少施工人员数量，解决拱顶掉块问题。     

隧道二次衬砌拱部预制管片顶升机构设计与应用

为满足隧道二次衬砌拱部预制管片的安装要求，将预制管片安全便捷地转移至管片拼装小车，基于现场边界条件及施工方案，结合优化设计理念，设计一种专用顶升机构。对顶升机构的结构方案、升降油缸选型进行详细阐述，并分析验证顶升机构升降油缸的稳定性。借助力学方法分析确定顶升机构的最佳安装位置，同时采用有限元方法对边墙衬砌台车门架系统进行强度校核。目前，该顶升机构已在重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道工程得到施工应用，共计辅助完成11组预制管片的拼装作业。理论分析及现场应用表明： 1）该顶升机构设计合理，强度及稳定性满足现场施工要求； 2）顶升机构投入使用期间，未出现故障，保障了拱部预制管片拼装作业的顺利进行。     

地铁矿山法隧道装配式二次衬砌结构设计初步研究

为充分发挥装配式结构的工厂化、模具化、机械化、标准化优势,将装配化引入至矿山法隧道建设中。通过对国内外类似工程详细、深入的调研,借鉴国内外盾构、TBM的成熟设计和施工经验,综合工程类比、理论分析、数值模拟分析、试验研究与现场应用反馈等技术手段,开展地铁矿山法隧道装配式二次衬砌结构初步研究。结果认为矿山法隧道二次衬砌结构采用全部预制构件进行生产及安装可行。矿山法隧道装配式二次衬砌采用马蹄形断面形式,钢筋混凝土平板形衬砌片,衬砌片厚度为300mm或350mm,分6块,全部预制,错缝拼接,环宽1200mm,衬砌片连接采用螺栓连接,根据拼装机设计原理(是否能够提供对衬砌片的持续纵向挤压力)的不同可采用弯螺栓或者直螺栓。     

川藏铁路色季拉山隧道装配式仰拱方案研究

为提高钻爆法单线铁路隧道仰拱施工质量,改善洞内作业环境,推进装配式结构绿色建造等,以新建川藏铁路色季拉山隧道工程为依托,对装配式仰拱的结构形式,环向、纵向连接,防水,拼装设备,隧底填充,施工工艺及经济性等进行研究。主要研究结论有:1)仰拱与填充层整体预制成单块空心结构,结构受力条件好,洞内拼装方便; 2)预制块与现浇二次衬砌采用方形榫槽或方形榫槽+预埋钢筋的连接方式,预制块纵向通过张拉精轧螺纹钢进行挤紧,预制块底部采用碎石+回填注浆的垫层进行基底处理。装配式仰拱应用于川藏铁路色季拉山隧道,可实现轨下结构机械化快速施工,有利于提高山岭铁路隧道机械化施工整体水平。     

铁路隧道高精度悬臂边墙施工关键技术研究

采用矿山法施工时，隧道二次衬砌模筑混凝土在施工过程中易出现脱空、厚度不足、掉块等质量缺陷，对此，提出采用“拱部预制衬砌+悬臂现浇边墙”的新型装配式衬砌结构，以保证悬臂现浇边墙满足拼装要求。以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为依托，采用数值仿真+现场试验的方法，研究了悬臂边墙混凝土浇筑、边墙接头精度控制等工艺，形成了一套完整的高精度悬臂边墙施工技术。研究结果表明：1)通过“荷载+结构法计算模型”计算分析，悬臂边墙具备结构自稳定性；2)通过采用刚度大强度高的悬臂模板台车对称分次浇筑、台车二次精调、全过程监测等措施，保证了悬臂边墙的高精度和施工稳定性、安全性。     

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。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

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。     

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。     

复合式衬砌隧道防排水设计几个问题探讨

为了防止和减少隧道渗漏水病害，通过分析复合式衬砌隧道防排水的现状和存在的主要问题，研究隧道排水量和水压力控制值分级、上下分离的防排水体系、围岩防水能力、防水层和二次衬砌混凝土整体防水效果检验评价等，并对防排水系统的设计和参数选择提出以下建议： 1）对于采用复合式衬砌的隧道，如果能满足环境保护及使用功能要求，其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/（m·d）〖JP〗以内，二次衬砌背后承受的水压力最大宜控制在1.0 MPa以内； 2）为了减少隧道渗漏水发生的概率，并保证隧道结构的稳定，可考虑将拱、墙防排水体系和仰拱防排水体系分开设置，拱部、侧墙部位的渗水直接排入侧沟，仰拱部位的水主要通过纵向中心排水盲管排出，当水压力高时，通过与中心排水盲管连通的横向排水管将水引入新增的侧沟，并通过在横向排水管出水口安装的阀门进行限量排放； 3）通过地面隔离墙（咬和桩）、地面注浆、洞内注浆、旋喷、超前管棚、超前管幕、施作双层衬砌等措施，阻断和减小来水通道，提高地层强度和完整性，降低隧道涌水量和衬砌背后的水压力，并降低大量排水对运营和环境的不利影响。     

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。     

土体参数对盾构隧道衬砌与土体共同作用影响分析

为了解决在盾构隧道结构分析中土与结构共同作用如何有效考虑的问题,借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,基于数值分析的方法建立土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。针对侧压力系数和土体刚度展开参数分析,研究结果表明:1)随着侧压力系数和土体刚度的减小,衬砌椭圆化变形增加,同时衬砌拱顶弯矩增加,纵向接头的相对转动主导了衬砌的椭圆化变形;2)随着侧压力系数的增加,土体高应力分布区由拱顶月牙形朝环周均匀分布转变,拱腰侧低应力区逐渐消失,同时隧道椭圆化变形趋于0;3)土体刚度对土体应力分布改变影响较小,但随着土层刚度的增加,衬砌环周应力条件被明显改善,拱顶的椭圆化荷载同样有朝环周均布荷载转变的趋势。     

地热利用型盾构法隧道施工探索——以清华园隧道能源管片设计、制作及安装为例

土建工程中的隧道结构兼作浅层地热换热构件时被称作能源隧道。盾构隧道中可先将热交换管安装在预制管片中形成能源管片，现场施工时将各管片连接形成回路，这种隧道称为能源盾构隧道。文章基于国外已有的2个能源盾构隧道管片施工和安装研究实例，结合京张铁路清华园隧道3环27个能源管片的设计、制作及安装工作，从管材的选用、管片的预制、管片的现场安装等方面对地热利用型盾构法隧道的施工方法进行总结梳理，根据施工中遇到的具体问题，从管片制作和现场施工的角度对能源管片规模化施工面临的问题提出可能的解决方法。     

装配式车站出入口环框预制结构沿车站纵向的受力分析

为研究装配式车站出入口环框预制结构受力，给出入口环框设计提供理论基础，首先，分析装配式车站预制环框从施工到使用各阶段不同的荷载模式。其次，采用有限元计算方法，研究环框结构从施工安装阶段、覆土回填阶段到出入口施作完成阶段的受力特点。然后，指出预制环框结构同顶板结构之间凹凸榫槽在完成接缝注浆后，沿车站纵向形成整体，对环框受力较为有利；同时，预制环框结构与顶板形成整体后共同抵抗覆土阶段及长期使用阶段的各项荷载，可以满足装配式车站拼装施工要求及后期车站结构整体受力要求。最后，提供一种设置临时钢支撑的安全储备措施，并对其结构受力进行验算，确保出入口环连续拼装的安全可靠。     

管片破拆对盾构隧道衬砌受力特性的影响研究

为了解联络通道施工期间管片衬砌结构易裂损破坏的形成原因,基于3环错缝拼装数值模型,就管片破拆对盾构隧道衬砌整环承载性能的影响进行研究。研究结果表明:1)联络通道开孔将导致盾构隧道衬砌整环极限承载能力和整环屈服承载力分别下降23.7%、25%,整环竖向和水平方向承载割线刚度分别下降21%、33%;2)管片开孔两侧的管片接头和开孔环拱顶等位置,管片接头以及开孔环上方管片中部和未开孔一侧拱腰处管片等是关键截面,最易开裂和破坏;3)管片开孔后,在同样大小外荷载作用下,关键截面位置管片的弯矩被大幅放大。     

裂缝数量对盾构隧道管片结构力学性能的影响

盾构隧道管片在制作、养护、运输及拼装过程中,常会出现裂缝,裂缝的存在在一定程度上会影响管片衬砌结构的整体受力。以中国某地铁越江盾构隧道为工程背景,采用相似模型试验的方法,基于盾构隧道管片的位移、内力及声发射数据,系统分析裂缝数量对管片衬砌结构力学特性的影响规律,并通过管片破坏过程示意图分析管片结构的破坏模式。研究结果表明：管片衬砌结构承载阶段可划分为弹性承载、塑性承载和破坏失稳3个阶段;裂缝的存在降低了管片衬砌结构的整体刚度,随裂缝数量增加,管片衬砌结构的弹性承载范围增加,塑性承载阶段范围减小,损伤破坏的空间影响范围呈增大趋势,结构的失稳破坏趋于突发性破坏,相同荷载下的变形增大,结构的极限承载力降低;裂缝的存在使得管片在预制裂缝位置产生纵向贯通裂缝,随裂缝数量增加,纵向贯通裂缝数量增加,破坏区域由某一位置发展为条带状分布,当拱腰预制裂缝数量达到3条时,裂缝之间管片的相互挤压导致网状裂缝产生,结构局部出现压溃区。     

TBM圆形铁路隧道衬砌类型力学性态模型试验研究

依托大瑞铁路高黎贡山隧道全断面隧道掘进机（TBM）段圆形模筑混凝土衬砌工程,开展了不同衬砌结构的模型试验研究。采用卧式加载试验装置,对圆形模筑混凝土、单层管片和管片双层三种衬砌类型进行试验,得到三种衬砌管片的弯矩、轴力和位移。研究结果表明:在相同荷载条件下,模筑混凝土衬砌破坏时能承受更大的弯矩;在试件破坏前,单层管片衬砌和管片双层衬砌在拱脚处轴力有突变,产生应力集中现象;分块对管片刚度有一定的削弱作用;等厚度的圆形模筑混凝土和管片双层衬砌,前者刚度大,力学性态好。     

腐蚀离子环境中盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理

为揭示外水压与周围腐蚀离子环境长期耦合作用下盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理,对压力渗透下管片混凝土多孔介质渗透深度与离子侵蚀运移进行理论解析,建立管片接头离子侵蚀对流-弥散运移数值模型,在一维渗流状态下验证了考虑压力渗透作用的腐蚀离子侵蚀理论的合理性,并建立可考虑压力渗透、离子对流-弥散运移以及管片接头非连续的盾构隧道衬砌结构离子侵蚀数值模型,重点分析了整环管片衬砌结构侵蚀劣化规律。结果表明:水压力的存在对海水渗透具有促进作用,外水压力越大,对海水渗透效果越显著;外水压力的增大将导致氯离子含量的增加,外水压力越大,同一位置累积到相同离子浓度所需的累积时间越短;管片接头处离子含量分布具有局部集中的特点,整环管片衬砌结构离子侵蚀大小关系为拱顶拱腰拱底;服役初期仅管片接头附近外排钢筋出现锈蚀,而后出现外排钢筋整体性锈蚀,体现出不均匀锈蚀的特点,且随着服役时间的延长,外排钢筋不均匀锈蚀差异减小。     

新型装配式衬砌技术在地铁隧道的应用研究

为研究新型装配式衬砌技术及其配套施工设备的应用，基于北京地铁6号线西延07标工程，对装配式管片拼装设备的组成、功能进行简述，介绍新型装配式衬砌技术在项目的应用情况，对新型装配式衬砌施工技术及其配套设备的特点进行总结。研究结果表明： 1）采用装配式管片拼装设备，可保证隧道施工质量； 2）采用装配式管片拼装设备，在大幅度提高施工进度的同时，施工人员可减少2/3以上； 3）装配式管片拼装设备可实现小竖井始发，显著提高隧道施工的机械化及自动化水平； 4）新型装配式衬砌技术有待进一步提高并推广应用。