通用环错缝拼装盾构隧道结构设计计算参数研究

为了探明错缝拼装条件下盾构隧道结构的内力和使用修正惯用法进行设计计算的关键参数——弯矩传递系数、抗弯刚度有效率,文章根据地铁盾构隧道实际运营条件设计和实施了不同工况下通用环错缝拼装盾构隧道结构的足尺试验,分析了埋深、侧压力系数、纵向力、侧向抗力等对于结构内力和修正惯用法相关设计参数的影响。研究结果表明,弯矩传递系数对结构埋深和纵向力较为敏感,抗弯刚度有效率则受到侧压力系数、结构埋深、纵向力和侧向抗力的影响。     

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

盾构法隧道错缝拼装衬砌的受力分析

对错缝拼装衬砌的内力计算分析的关键是如何考虑隧道纵向剪切作用以及由此而产生的环间弯矩传递。目前在错缝衬砌的设计中，用得最多的是η-ξ法，而η和ξ值的确定主要凭工程实践经验，具有较大的随意性和不确定性。为此，通过错缝拼装衬砌的三维受力性态分析，研究在错缝拼装条件下环缝接头对管片接头的约束作用以及由此而产生的环间弯矩传递。     

盾构隧道新型衬砌结构设计参数试验研究

盾构隧道衬砌结构由管片和接头组成,接头的形式直接影响盾构隧道的整体力学性能。上海轨道交通18号线盾构隧道新型衬砌结构环间采用新型插入式快速接头,块间采用新型滑入式快速接头。针对错缝拼装的新型衬砌结构,分别进行了整环足尺试验,介绍和分析了新型衬砌结构的受力性能;通过计算给出不同埋深、不同侧压力、不同纵向力下修正惯用法设计计算参数的取值。     

盾构隧道新型衬砌结构受力性能与设计参数

盾构隧道衬砌结构由管片和接头组成,接头的形式直接影响盾构隧道的整体力学性能。上海地铁18号线盾构隧道衬砌结构环间采用了插入式快速接头,块间采用了新型的滑入式快速接头,这种新型衬砌结构受力性能尚不明晰。文章针对通、错缝拼装的新型衬砌结构,分别进行设计工况下的整环足尺试验。通过试验结果分析,得到了不同拼装方式下新型衬砌结构的受力性能;讨论了结构的计算模型,计算了不同工况下结构修正惯用法设计参数,为新型衬砌结构的拼装方式比选、设计计算提供了参考和依据。     

带接头盒矩形盾构接头正向抗弯三维有限元分析

大弯矩小轴力的内力工况对大断面矩形盾构管片接头的构造设计提出了挑战。接头盒作为一种接头预埋件,其合理设计以及与混凝土共同受力机理值得研究。在梁-弹簧模型中接头抗弯转动弹簧刚度值具有明显的非线性,目前主要依靠足尺管片接头力学试验获取。鉴于数值模拟容易开展,同时基于某大断面盾构管片接头足尺抗弯力学试验数据,文章采用ABAQUS大型有限元软件建立了带有接头盒矩形盾构管片纵缝接头的三维精细化计算模型。针对这类带有接头盒的大断面盾构管片接头,重点考查在正弯矩工况下接头构造设计的合理性,研究轴力对接头正向抗弯性能的影响,分析接头的破坏形态。结果表明,正弯矩工况下接头的弯矩-转角全过程曲线可以简化为三折线模型;在一定范围内,轴力的施加可有效推迟管片接头进入塑性以及破坏阶段,而对各阶段抗弯刚度的数值影响并不明显。     

拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析

文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析.通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响.     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。     

基于椭圆形式的隧道纵向等效连续化模型分析

针对当前理论推导下隧道纵向刚度有效率(0.14~0.23)比上海盾构隧道实际工程的应用值(约0.7)偏小的情况,文章改进传统纵向等效连续化模型,在隧道等效连续化模型的基础上,基于椭圆的参数方程,同时考虑横向刚度、环缝作用范围的影响,并且引入土层约束系数和管片拼装方式影响系数,建立新型的盾构隧道纵向等效连续化模型,修正了等效弯曲刚度的计算公式。文章以上海某隧道工程为背景,分析了横向刚度和环缝作用范围系数对隧道等效抗弯刚度的影响规律。假设隧道发生"椭圆变形",其计算结果表明,隧道纵向等效刚度有效率与其他模型结论相比增加了26%~50%,有效地贴近了实际应用值,证明了椭圆假设的合理性。研究结果对隧道纵向等效刚度有效率的理论推导和实际工程的取值具有一定的参考意义。     

近接桩基盾构隧道施工管片力学行为研究

盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现局部破损现象。文章以深圳地铁5号线近接桩基时盾构隧道施工为研究背景,通过现场测试对衬砌所承受的轴力和弯矩进行了分析,以此来探究盾构隧道管片的力学特性。研究结果表明:上覆建筑物的全风化花岗岩层中,管片脱出盾尾后桩基荷载将传递给隧道上部土体,最后传递至衬砌管片,管片环受到较大的附加应力作用;管片刚拼装上时试验环内力较小;当管片脱出盾尾时其内力达到最大值;稳定后的管片内力一般相较刚脱出盾尾时稍小。由于岩层破碎且极度发育,透水性好,孔隙水压力变化速度较快,且能较快趋于稳定。     

软土盾构隧道施工阶段上浮计算模型探讨

文章首先对管片上浮作用机理进行了分析,确定了盾构隧道施工阶段上浮计算模型荷载分布规律和计算方法;其次指出了弹性支撑法和修正惯用法直接运用于盾构隧道上浮阶段设计所存在的问题,即弹性支撑法计算得到管片底部向下位移,与实际上浮阶段管片隆起不符,而修正惯用法又不能考虑拱顶上覆土体反向压缩特性;最后,基于弹性支撑法并利用修正惯用法思想提出了能规避上述两个问题的反转抗力力学模型。结果表明:提出的计算模型与施工阶段管片上浮变形特征吻合度高,施工阶段管片上浮状态下弯矩、轴力和剪力最值较弹性支撑法和修正惯用法获得的结果分别增加68%、21%和51%以及34%、69%和22%,说明按本文推荐计算模型进行上浮管片设计可避免实际工程配筋不足造成的管片破损、开裂或渗漏。其结论可为盾构隧道设计提供一定理论支撑和参考。     

盾构隧道结构健康评价的变形指标研究

选取隧道横向收敛变形和纵向不均匀沉降作为隧道结构健康评价的单项评价指标,提出了采用梁-弹簧模型计算管片纵缝接头处的内力,在此基础上采用精细化解析模型进一步分析纵缝接头力学特性,以纵缝接头张开量、螺栓屈服和管片裂缝值为控制依据,计算得到横向收敛指标;采用三维壳-弹簧模型,以环缝最大张开量为控制依据,计算得到不均匀沉降的曲率控制指标。将该研究应用于南京轨交10号线越江隧道工程,得到该隧道结构健康评价的变形控制指标。     

双车道公路盾构隧道管片合理分块型式研究

文章以双车道公路盾构隧道为例,设计了三种不同分块型式的管片结构,并采用梁-弹簧模型模拟装配式管片结构,借助于有限元法分析了在不同拼装方式下管片结构的力学特性;通过对内力和变形的分析比较,并综合考虑设计、施工及其造价等因素,认为在最不利荷载作用下的管片结构宜采用10块分块型式;管片结构的正负弯矩值相差很大,故宜将内外两侧的钢筋分开进行配筋设计。     

大断面跨海盾构隧道结构设计与参数分析

为获得精细、合理化的大断面盾构隧道结构设计方法,文章依托某大断面跨海隧道工程,对其结构选型和结构参数进行了分析。从管片拼装方式与分块、管片连接方式、管片材料等方面,分析了管片结构的选型方法;从计算模型的选取、计算工况与荷载的确定、参数的选取、计算结果等方面,分析讨论了管片横断面和隧道纵向结构的数值模拟计算方法及其适用性。结果表明:采用梁-弹簧模型、均质圆环模型计算管片横断面时所得的内力分布并不相同,在实际设计中应以前者计算结果为主,后者进行复核;在地基变化剧烈处,盾构隧道易出现较大的纵向弯矩和管片环间剪力,可通过采用设置变形缝、硬岩破碎等方式予以处理。     

盾构隧道局部渗漏水对其力学特性的影响

针对盾构隧道接头渗漏水导致结构长期运营安全性能降低这一问题,文章建立了接头渗漏水数值计算模型,对接头局部渗漏水条件下管片结构的力学响应进行分析。结果表明:接头渗漏水会导致接头附近管片所承担的外水压力明显减小,且减小量值随着渗流量的增加而增加;管片结构内力随着渗流时间的增加,体现为快速增加、缓慢增加和趋于稳定的三阶段变化特征;结构弯矩与轴力的量值与接头渗漏量呈现正相关性;当接头总的渗漏量相同时,外侧受拉区接头处渗漏水对结构内力的影响大于内侧受拉区接头处渗漏,且单一接头漏水时,接头处的水压力减小量值大于多接头渗漏工况;对于多接头渗漏而言,渗水条件下结构渗漏侧的弯矩值大于未渗漏侧的弯矩值,表现出明显的非对称分布特征。     

关于盾构法隧道采用错缝拼装技术的探讨

衬砌管片的错缝拼装技术由于其在隧道变形与防水控制方面的优越性,以及建立在该技术基础之上的一系列盾构自动化施工控制与管片制造技术的发展,使得隧道的施工效率与质量大大提高,在国外隧道工程,尤其是在变形和防水要求较高的隧道工程中得到广为应用.文章从几个方面对盾构法隧道错缝拼装方式进行了介绍,并指出了当前对错缝拼装衬砌受力机理及使用性能进行研究的必要性以及所要解决的问题,有利于澄清目前在应用错缝拼装技术上存在的种种认识上的误区,起到抛砖引玉的作用.     

类矩形盾构隧道装配式衬砌结构设计参数研究

以曲墙曲拱的类矩形断面形式设计两车道拼装式盾构隧道衬砌,考虑地层抗力系数、覆土厚度、设计荷载等因素的影响,建立类矩形盾构隧道衬砌的梁-弹簧模型。结合昆明地区典型地质剖面,分别对均质环模型和梁-弹簧模型进行内力计算,验证计算模型的合理性。研究结果表明:随着地层抗力系数的增加,衬砌结构弯矩及剪力逐渐减小,轴力逐渐增大,改善了管片结构的受力状态。     

盾构隧道环间接头抗弯刚度计算及其影响因素研究

为得到盾构隧道纵向梁-弹簧模型中环间接头抗弯刚度的计算方法,文章以志波模型为基础,采用解析方法分别推导了纯弯、拉弯条件下环间接头抗弯刚度的解析公式,并据此对各影响因素的敏感度及影响方式开展定量分析。结果表明:盾构隧道环间接头抗弯刚度的影响因素主要有幅宽、断面尺寸、环间螺栓参数以及纵轴拉力等,其中断面尺寸对环间接头刚度影响最大,环间螺栓参数次之,幅宽影响最小;纵轴拉力对环间接头抗弯刚度的影响方式与前述因素不同,在其作用下,环间接头抗弯刚度表现出显著的非线性特点,环间接头抗弯刚度与纵向弯矩、纵向轴力在三维空间中呈现"台阶状"曲面形态,其量值维持在上、下台阶面对应的量值之间;当环间接缝面在拉弯作用下完全张开时,环间接头抗弯刚度相比接缝面部分张开时被削弱约40%。     

盾构隧道管片接缝结构可靠度分析

盾构隧道管片衬砌结构设计的依据是地层勘察资料、设计文件、相关设计规范等,各部分资料的准确程度直接影响到结构设计的可靠度;其次,盾构隧道是由管片和螺栓等拼装而成,由于预制管片和施工方面的原因,各种参数总有一定的偏差;再次,土中水压力的作用效果也不是十分明确的,而管片接头作为管片衬砌环的薄弱环节,其力学特性的明确至关重要。文章依托南京长江隧道采用蒙特卡罗法和响应面法对管片接头结构的可靠性进行了分析研究。     

地震作用对盾构隧道管片张开量的影响及预测北大核心CSCD

为探索地震作用对盾构隧道管片张开量的影响,借助数值分析软件,分析典型工程在不同方向地震作用下管片张开量的分布规律。基于计算结果,对地震加速度与地震引起的管片张开量进行归一化处理,结合现有的管片张开量计算公式,提出了不同埋深隧道在地震作用下管片最大张开量预测方法。研究表明:地震作用对盾构管片环缝张开量有显著的影响,管片最大张开量的最大增幅为16%,平均张开量的最大增幅为27%;地震烈度为8度以下的区域,在静、动荷载作用下,盾构隧道管片抗震加固范围主要在工作井附近3~5环;地震烈度为8度及以上的高地震烈度区,应沿隧道轴向对环缝接头进行抗震加固。与数值计算结果对比表明,提出的考虑地震作用的管片最大张开量计算方法具备一定合理性。