盾构横通道冻结法施工数值模拟及现场应用研究

以珠机城际横琴隧道3#工作井～金融岛车站区间4#横通道为工程背景,采用冻结加固设计方案进行施工,并取得了良好的加固效果。针对横通道冻结法施工形成的形状复杂的冻土帷幕结构,利用FLAC3D对冻结法施工进行了数值模拟研究,通过对比现场监测数据,得到冻结帷幕的变形特性、应力分布特性以及开挖造成隧道周围管片应力的重新分布情况等。研究表明:拱顶沉降的数值模拟结果与现场监测值基本相同,说明数值模拟具有一定的科学性和合理性;横通道开挖前对通道内土体预加固能有效改善横通道拱顶和拱底的受力状态;喇叭口处作为整个冻土帷幕的最薄弱处,施工中需特别注意;横通道开挖容易使主隧道管片处于受拉状态,且拉应力多分布在开口环的对侧。     

地铁盾构隧道管片结构应力可视化监测技术

研究目的:地铁隧道是现代化城市中一项重要的基础设施,因此对其进行施工期的安全性监测就变得必不可少。针对目前管片监测中低效、安全判断滞后、数据分析与可视化难以同步等缺点,本文采用一套融合了振弦式传感技术的可视化监测装置对武汉地铁四号线二期工程隧道在施工过程中衬砌管片的安全性进行监测,监测内容包括管片的钢筋应力和管片内部混凝土应变。通过对监测结果进行ARIMA建模分析,验证该可视化监测装置获取数据的可靠性。研究结论:本项目中采用的融合了振弦式传感技术的可视化监测装置具有数据采集频率高、现场实时可视化监控、获取数据温定等优点。对2013年8月份监测数据进行ARIMA建模分析,得到以下结论:(1)混凝土应变和钢筋应力时间序列总体呈现一定趋势,细节上有所变化,为非平稳时间序列;(2)时间序列变化缓慢,混凝工应变单月变化幅度在16~20με之间,钢筋应力变化幅度在1 kN左右;(3)经一阶差分后,时间序列由非平稳变为平稳;(4)混凝土应变时间序列表现出显著的偏相关性,钢筋应力时间序列同时具有自相关和偏相关性;(5)本文所述的可视化监测技术可用于复杂环境下地铁盾构隧道管片结构应力的监测。     

浅覆大直径越江盾构隧道施工阶段管片上浮分析及控制措施研究

大直径越江跨海盾构隧道修建过程中,普遍会发生上浮现象,且往往伴随着管片破损、错台,直接影响隧道施工安全。本文依托长沙南湖路湘江隧道工程,结合现场施工情况和监测数据,对浅覆大直径盾构隧道施工阶段管片上浮原因进行了分析。基于监测结果,从改善上覆土特性、同步注浆优化、控制掘进参数、管片上浮处理等方面提出了有针对性的上浮控制措施,并在后续盾构掘进施工过程中得到了成功运用,有效控制了管片上浮的发生。     

盾构隧道联络通道施工中管片纵向应力变化

阐述地铁隧道联络通道施工过程中进行实时监测的重要作用,介绍钢弦式应变计的测试原理及安装方法.研究盾构隧道拆除联络通道洞门管片时的纵向应力变化规律,利用应变电测法,对北京地铁盾构法隧道某联络通道开洞过程进行应力监测,为保证施工部位和周围环境的安全提供可靠的监测数据.对监测数据进行统计,并对钢管片相邻的混凝土管片受力进行对比,分析施工引起的盾构隧道管片的应力变化规律,为工程的顺利进行提供指导.     

城际铁路盾构联络通道冻结法施工技术

以珠机(珠海市区—珠海机场)城际铁路橫琴隧道金融岛车站—3号工作井区间3~#联络通道(与泵房合建)为工程背景,针对联络通道冻结法施工形成的形状复杂的冻土帷幕结构,利用FLAC 3D对冻结法施工进行了数值模拟,并与现场监测数据进行对比分析,得出冻结帷幕的变形特性、应力分布特性以及开挖造成的隧道周围管片应力的重新分布情况。研究结果表明:联络通道开挖前对通道内土体预加固能有效改善拱顶和拱底的受力状态;喇叭口是整个冻土帷幕的最薄弱处所,施工中须特别注意;联络通道开挖容易使主隧道管片处于受拉状态,且拉应力多分布在开口环的对侧。     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

盾构隧道中管片结构纵向错台的研究

盾构隧道通缝拼装管片结构的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题,且由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突显,并直接影响到工程质量。以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值计算方法对盾构推进过程中管片错台进行分析,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参考。     

盾构隧道管片结构纵向错台研究

盾构隧道通缝拼装管片结构的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题，且由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，并直接影响到工程质量。以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景，采用现场监测和数值计算方法对盾构推进过程中管片错台进行分析，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。     

新建与既有地铁隧道正交段施工力学行为研究

研究目的:以深圳地铁3号线盾构隧道下穿1号线既有隧道为工程背景,利用FLAC3D软件进行有限元数值模拟施工三维力学行为,探讨施工过程地层应力的变化幅度及影响范围、结构内力及结构安全性,提出确保新建隧道施工和既有隧道运营安全的措施和建议。研究结论:在施工阶段既有隧道附加应力的分布均为以下洞中心线为中心对称轴成左右对称状态,下洞施工过程中会引起既有隧道的沉降和附加应力的增大,目标面盾构隧道管片衬砌最大内力值的位置都在下洞两侧拱腰管片衬砌,应对上下两洞间的地层及时注浆进行加固。当施工结束时,目标面盾构隧道管片的主应力值达到最大。     

水下盾构隧道基岩爆破扰动地层管片外荷载实测分析

为探明盾构隧道基岩爆破对管片外荷载的影响,以珠海马骝洲交通隧道工程为依托,介绍改进的基岩爆破预处理措施,采用现场测试的方法对隧道无基岩地层断面及基岩爆破扰动地层断面处的管片外侧水土压力进行长期自动监测。得到以下结论:(1)基岩爆破装药结构经现场验证具有良好的爆破效果,可简化施工作业,利于盾构施工;(2)海底基岩爆破破坏土层的原有结构,爆破地层施工过程中水压力消散较慢,水土"耦合"更为复杂,隧道侧压力增大;(3)监测数据表明无论土层爆破与否,隧道围岩压力均表现以水压力为主的特征。     

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题，计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率，建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型，分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明：考虑注浆压力时管片均出现上浮，最大上浮量出现于盾尾第6环管片处；管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小，在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态；盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大，管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。     

大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

以扬州瘦西湖隧道为例,介绍了盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件、典型断面管片布置形式,以及管片结构受力监测方案。共设计了4个监测断面,对管片的力学特性进行监测。通过实测结果分析和数值模拟分析,得出的主要结论是:柔性土压力计和光栅传感器能够较好地应用于管片的现场监测工作,可以得到较为全面准确的隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载,同时注浆压力控制不当会导致结构荷载的分布不均匀(在设计时应重点关注);注浆阶段(同步注浆到注浆效应消散),衬砌结构内力处于波动状态,与各同步注浆孔压力分布不均有关,稳定后的结构轴力大致为注浆作用下最大值的60%~65%,注浆作用对结构轴力影响较大。     

兰渝铁路两水隧道双层支护试验研究

针对兰渝线两水隧道穿越炭质软岩、设计施工难度大、初支变形不满足稳定性条件、衬砌较早施作而引起开裂等问题,开展双层支护研究工作。通过现场试验对试验段初期支护围岩变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力和混凝土应力等监测。得到初期支护隧道围岩与结构的力学及变形特性,分析其随时间的变化特点和沿隧道横断面的空间分布规律。研究结果表明：围岩压力、钢架应力和喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,易受施工扰动影响,敏感性随时间逐渐降低,结构应力沿隧道横断面的空间分布呈现“上下大,两侧小”的分布规律。研究结果对建立科学合理的软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导意义。     

联络通道施工对隧道T接结构的受力影响研究

在软弱地层施工地铁隧道联络通道会造成隧道结构局部应力集中,严重时可导致管片开裂等现象。为解决这一问题,利用ABAQUS有限元软件建立主隧道与联络通道结构模型,通过改变联络通道掘进长度与联络通道底部基床系数等因素,探究机械法联络通道T接隧道建设对主隧道结构的影响。研究发现：联络通道施工荷载使隧道发生横向扭剪变形,可导致施工过程中纵向顶推转角发生变化;随着联络通道掘进长度的增加,主隧道与联络通道管片应力不断增大;联络通道靠近主隧道上方管片受力变形大于主隧道上方（应力增加17%、变形可达4倍）;随着基床系数减小,隧道结构整体受力变形呈增大趋势（应力增大44%、沉降增大34%）。研究成果可为相关工程安全建设提供参考。     

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。     

基坑开挖对既有盾构隧道的影响研究

为分析基坑开挖对既有盾构隧道的影响,通过数值计算软件模拟盾构隧道施工过程,得到基坑开挖前盾构隧道的应力状态;并以此为基础,进行基坑开挖对盾构管片变形与应力影响的全过程研究。结果表明,双排桩支护方式下,基坑开挖至坑底时,区间隧道距坑底最近的拱肩位置处变形最大,以水平位移为主,最大达6. 77 mm;管片竖向隆起量较小,最大值为1. 31 mm,管片拱肩部位存在一定的应力集中,最大应力达3. 52 MPa;管片拱腰部位X向应力较小,最大值为0. 3 MPa。随基坑内部结构的施工,盾构管片变形逐渐减小。依据变形、应力等控制指标,对最不利条件下管片位移、应力及曲率半径等参数进行安全影响评估,认为该工程条件下,基坑开挖对区间隧道影响较小。     

装配整体式盾构管片结构及力学性能研究

传统盾构隧道管片由预制管片和螺栓连接而成,需要依靠围岩荷载才能形成稳定的结构体系。接头的存在也会造成管片结构整体刚度偏低、抗变形能力减弱,影响隧道结构的安全性和耐久性。本文提出一种装配整体式盾构隧道管片结构,该装配整体式管片由预制T型管片和叠合区混凝土组成。盾构施工阶段进行T型管片拼装,隧道洞通后采用喷射或现浇方式进行叠合区混凝土施工。基于ABAQUS软件对比分析装配整体式管片和传统管片的力学性能。结果表明：在施工阶段,装配整体式管片和传统管片的内力相近,但装配整体式管片的变形稍大。当隧道附近有基坑开挖时,T型管片与叠合区混凝土共同承担隧道荷载,叠合区混凝土刚度大,对T型管片具有保护作用,并且装配整体式管片的后期变形小于传统管片,表现出更好的整体性和抗变形能力。装配整体式盾构隧道管片结构适用于非均质或大变形地层,且能更好地应对邻近施工和邻近穿越等工况,可为盾构隧道工程建设提供新的技术方案。     

深圳地铁九号线小曲线半径隧道管片BIM模型力学维度分析

研究深圳地铁九号线春风—文锦站区间小曲线半径叠线隧道管片力学特性,根据实际情况建立了土体及管片的有限元模型。通过对计算结果的分析,掌握了小曲线半径叠线隧道管片内部应力分布规律及双线之间的相互影响,研究结果将作为一个维度加到BIM的整体模型中,以期为复杂地质条件下小曲线半径叠线隧道管片的施工提供一定的参考。     

盾构隧道注浆抬升施工对衬砌结构的影响

基于盾构隧道注浆抬升工程,建立盾构隧道注浆抬升对管片衬砌结构影响计算模型,通过对比现场实测数据和数值计算结果,验证计算模型的正确性;在此基础上探讨分析不同注浆位置、不同注浆顺序对管片衬砌结构的影响,为盾构隧道注浆抬升施工提供参考依据。     

大直径双护盾TBM公路隧道管片分块设计探讨

双护盾TBM预制管片分块方案设计是管片设计中的重要环节,直接关系到隧道结构的安全性和施工速度。采用数值模拟的研究手段,以青藏高原地区某条大直径公路隧道为背景,对管片分块设计方案进行研究。研究结果表明:在分块总数相同情况下,采用"X+1"分块模式的管片结构受力性能优于"等分"分块模式的管片结构;不同管片分块模式所引起的管片结构变形位移量值差异为2.724 mm。管片总数目的改变对管片结构的受力和变形特性影响很小,差值占总量的6%。本工程最终采用分块总数为7块,分块模式为"6+1"的分块形式,单环拼装时间为40 min,工程单月最大进尺为500 m。