大直径盾构隧道斜螺栓环缝抗剪特性研究

以大直径盾构隧道施工过程中管片上浮错台问题为背景,研究大直径盾构隧道环缝结构的抗剪特性,从结构承载力角度提出有效且可控的抗浮措施,并深入探究环间错台对隧道结构的影响,以确定大直径盾构隧道环间变形控制标准,减小隧道环间错台引起的管片损伤。以深圳妈湾跨海通道为依托,基于材料塑性损伤本构,考虑管片接缝细部构造,根据相关管片环缝剪切原型试验对接缝抗剪数值模拟方法的有效性进行验证。随后,利用数值模拟研究了环向接缝顺剪、逆剪和切向剪切时的错台现象和破坏特征,分析了斜螺栓、凹凸榫对环缝抗剪特性的影响,为大直径盾构隧道环缝结构的抗浮设计和安全评价提供依据。研究表明:环缝剪切错台数值计算结果与试验结果吻合良好,能够有效揭示接缝剪切过程中结构的变形特点和损伤特性;环缝接缝的剪切错台过程较为复杂,呈阶段性特征,螺栓和凹凸榫的受力状态是决定接缝抗剪特性的关键因素;凹凸榫能显著提高接缝抗剪刚度和承载力,但也带来接缝应力集中和张开过大等问题,设计和施工过程中需充分考虑接缝刚度和变形的适应性;基于环缝错台损伤分析,提出了环缝变形的三级安全评价指标,大直径盾构隧道接缝变形必须控制在Ⅱ级以内,以保证隧道的结构安全和正常使用性能。     

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。     

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...     

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。     

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。     

盾构隧道预制内部结构与管片连接研究

上海诸光路隧道内部双车道结构采用全预制装配式框架结构体系,将内部结构的上、下层车道板、纵梁、立柱等主要受力构件均进行预制。对于预制装配式结构体系来说,其与管片的连接节点至关重要,节点不仅要受力可靠、便于施工,还要在地震作用下保持其完整性。针对所采用的预制内部结构与管片连接方式,通过实验研究分析了节点的受力性能,为在盾构隧道内实现全预制化双层车道结构提供技术支撑。     

沉管隧道管节接头剪切破坏试验

为了研究沉管隧道最薄弱的环节-接头的受力特点和破坏机制,根据实际沉管隧道接头形式开展了1：4大比例尺的沉管隧道接头低周往复加载拟静力试验。试验模型由2节钢筋混凝土管节组成,接头主要由钢筋混凝土剪力键和橡胶填塞垫构成,为贴近实际工程结构反应,试验模型采用与实际工程相同强度的钢筋和商品混凝土。利用顶杆位移计和拉线位移计等传感器得到了试验模型在循环剪切荷载作用下的接头破坏机理,并分别从沉管隧道试验模型的荷载-位移滞回曲线、接头抗剪承载力、接头与管段刚度比3个方面对试验结构进行了分析。试验结果表明：橡胶填充垫对沉管隧道接头具有缓冲保护作用;低周往复荷载下沉管隧道接头主要经历橡胶垫弹性变形、橡胶垫与剪力键协同作用及剪力键塑性变形3个阶段;接头总抗剪承载力为674 kN（3个单键的抗剪承载力分别为417,320,417 kN）,接头抗剪能力并不是单个剪力键承载力的线性叠加,需考虑剪力键之间的协同作用;接头与管节的剪切刚度有效比为1/960~1/672,接头是抗震的薄弱环节,在受到地震荷载时,变形主要集中在接头部位,并主要由接头处剪力键承担;接头的破坏模式主要体现在剪力键凸榫的端部剪裂及其失效后接头的不可恢复性变形。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

砂层盾构隧道端部土体滑移破坏模式分析

为了分析盾构进出洞时隧道端部土体的失稳破坏模式,为端部土体合理加固范围的确定提供理论依据,基于颗粒流分析程序(PFC),对砂层盾构隧道端部土体的失稳破坏过程和机理进行了数值分析,并采用FLAC3D程序进行对比验证。根据土体滑动规律,给出一种对数螺旋线与直线组合的滑动破坏模式,运用颗粒流计算数据对滑动面进行曲线拟合,并进行相关性分析和显著性检验,得到颗粒摩擦因数取不同数值时的土体滑移面曲线方程。研究结果表明:隧道端部连续墙破除后,土体先在洞门附近发生局部破坏,随后土体颗粒松动破坏向内部发展,颗粒逐步发生位移重定向,最终在土体内部形成了一条显著的滑动破坏面,若隧道埋深较浅,滑动面将延伸贯通至地表;随着土体强度的增高,土体滑移直线倾角变大,对数螺旋线初始半径变小,土体破坏范围相应变小,端部土体越稳定,反之,端部土体滑移范围就会变大,稳定性变差;端部土体经过局部加固后,土体变形较小,内部不能形成滑动面,端部土体稳定性得以提高。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

地铁隧道盾构施工掘进技术要点解析

在地铁隧道工程施工过程中,盾构法是一种常用的施工技术,具有成型质量好、施工安全系数高、施工速度快等优点,被广泛应用于地铁隧道工程施工过程中。在实际施工过程中,由于地质环境和施工环境不同,盾构施工会存在不同的施工难点。以实际工程为例,对盾构施工要点和难点进行分析,然后针对不同特点的地层制定相应的控制措施,保证了盾构施工质量,具有一定的借鉴参考价值。     

局部失效盾构隧道管片承载特性及破坏机理

局部失效(混凝土或钢筋缺失)会显著影响盾构管片的承载性能,甚至会诱发隧道整体结构的破坏。为明确局部失效对管片承载特性的影响,分别开展了标准管片和跨中及侧部开孔管片承载特性的足尺试验,并对管片的位移、裂缝扩展及混凝土应变进行了监测。试验结果表明：管片破坏过程分为4个典型阶段,并将各个阶段的临界荷载定义为管片的3个特征荷载。根据各特征荷载值对管片的承载特性进行了对比分析,明确了开孔管片的承载能力低于标准管片,且开孔位置对管片的承载特性具有较强影响。为进一步明确局部失效盾构管片试验结果的准确性,采用混凝土弹塑性损伤本构建立了与试验对应的三维精细化数值模型,并通过与模拟的对比验证了试验结果的合理性。随后,依据标准管片各承载特性,定量分析了管片开孔直径及开孔位置等因素对管片抗弯承载特性的影响规律,并初步提出了局部失效盾构管片抗弯承载特性的理论计算模型。研究结果可为极端条件下地铁盾构隧道的安全性评估及加固设计提供理论基础。     

螺栓锈蚀对盾构隧道接头抗弯性能的影响研究

为研究螺栓锈蚀对隧道服役性能的影响,通过考虑不同荷载类型和偏心距的情况,采用数值模拟的方法对连接螺栓锈蚀后盾构隧道接头极限承载力和抗弯刚度的变化进行分析,并与模型试验数据进行对比。通过对比分析发现： 1）螺栓锈蚀后受压区混凝土和螺栓屈服时的接头弯矩有所降低,结构弹性极限降低。2）在结构弹性阶段,螺栓锈蚀基本不会影响管片的接头抗弯性能; 在塑性阶段,螺栓锈蚀会使接头的变形增大,接头抗弯刚度降低。3）螺栓锈蚀会降低接头的极限承载力,极限承载力的退化程度与螺栓锈蚀率有关,与螺栓锈蚀范围的大小无关; 在负弯矩工况中,螺栓锈蚀还会改变接头的破坏状态。     

盾构隧道环向快速连接件力学性能试验研究

15 m级的大直径公路盾构隧道与10 m级超深覆土高内水压作用下的排水调蓄盾构隧洞对接头有高承载力的要求,为此开发新型环向快速连接件。该连接件具有拼装时间短、无需人工拧紧、拼装完成后的隧道真圆度高、管片错台与张开量小、防水性能高的优点。为研究连接件的结构形式、材料性能、连接件与锚筋之间的连接、连接件与混凝土管片之间力的传递,以650 mm厚的管片为原型,开展接头抗拉物理试验,并采用数值模拟的方法实现试验值与计算值的对比分析。主要结论如下： 1）本次试验所采用的铸铁连接件屈服承载能力为512 kN,满足试验指标要求。弹性阶段的承载力为400 kN,极限承载力为645 kN,可以应用于指导盾构隧道的设计。2）试验破坏发生在连接件本体部位,锚筋与连接件之间的连接设计合理可靠。试验终止时,4根锚筋的最大应力值为348 MPa,达到HRB400锚筋抗拉屈服强度的87%,接近其抗拉强度设计值360 MPa。3）连接件在轴心拉力作用下,其本体与锚筋的受力是不均匀的,在连接件设计中应考虑这种不均匀性,进行合理的优化设计。     

砂土地层盾构隧道小角度斜下穿既有隧道施工参数优化研究

针对隧道工程中新建隧道小角度斜下穿既有隧道工程中亟待解决的难题,以西安地铁1号线二期张家村-后卫寨区间左线盾构下穿既有1号线出入段线为工程依托,通过现场调研、数值模拟和现场监测等方法进行施工参数对轨道既有隧道和轨道高差的沉降规律(重点进行对轨道高差的控制)研究。选取土仓压力、注浆压力、注浆量等施工参数,其中注浆量用注浆厚度间接体现,构建三维数值计算模型,并对结果进行分析,依据分析结果给出合理的盾构施工参数建议值,在此基础上进行现场监测,验证给出的施工参数建议值对轨道高差的控制效果。研究结果表明:随着土仓压力、注浆压力的增大,既有隧道的沉降和轨道高差不断减小,当其土仓压力超过0.10 MPa、注浆压力超过0.22 MPa时,既有隧道沉降和轨道高差控制效果不再明显提高;既有隧道沉降和轨道高差随着注浆厚度的增大而减小,其与注浆厚度均近似呈线性关系,因此适当增大注浆范围是控制既有隧道沉降和轨道高差的有效方法;确定的施工参数建议值为0.10 MPa(土仓压力)+0.22 MPa(注浆压力)+0.23 m(注浆厚度);通过现场监测,既有地铁隧道道床上C,B,G,F四条测线上最大沉降量均在6 mm左右(小于20 mm),最大轨道高差为1.2 mm(小于4 mm),均小于规范所要求的控制值,表明以上施工参数建议值对于既有隧道沉降和轨道高差起到了很好控制效果。     

盾构区间隧道与连接通道连接处的三维受力分析

从盾构隧道管片衬砌结构和接缝接头的变形特点、衬砌结构与土层相互作用的模式出发,考虑盾构区间隧道和连接通道的施工工艺特点、结构的对称形状等,研制了适用于此种特殊受力结构体系的三维广义协调平板壳-弹性铰-地基系统计算模型,该模型可以考虑盾构隧道管片衬砌结构的错缝拼装或通缝拼装情况、衬砌结构和接缝之间的不连续性、接缝接头能承受一定弯矩的特点以及衬砌结构和土层的相互作用等。并对某越江盾构隧道工程进行了计算分析,为工程初步设计方案优化提供了较好的参考。     

隧道穿越富水断层隔水岩体冲切剪切破坏研究

隧道在修建过程中不可避免会遇到富水断层等不良地质情况,极易引发突水突泥灾害,若能提前预测隔水岩体的最小安全厚度,则能有效避免灾害的发生。首先,以隧道穿越富水断层为背景,提出冲切剪切破坏模式的隔水岩体计算模型,得到最小安全厚度计算公式并进行影响因素分析;然后,采用FLAC3D软件建立三维数值模型,确定最小安全厚度的模拟解,并与理论解进行对比;最后,将计算公式应用于永莲隧道以验证其适用性。结果表明： 1）最小安全厚度随断层宽度、隧道半径、水头高度的增大而增大,随断层倾角、隔水岩体内摩擦角及黏聚力的增大而减小; 2）模拟解与理论解较为吻合,且模拟得到掌子面附近围岩的移动态势与理论模型假定的破坏体运动方向一致; 3）计算公式能较为准确地预测隧道穿越富水断层时的隔水岩体最小安全厚度。     

双层内部结构隧道与盾构管片连接形式的数值研究

以"板-梁-柱"双层隧道内部结构体系为例,通过数值模拟的手段研究了双层车行结构与盾构管片连接形式,其中包括:固接、铰接、链杆连接、无连接4种连接方式。研究结果表明,4种连接形式的抗震性能差异较小,链杆连接形式较无连接形式内力小,同时满足强度与变形要求。     

大直径盾构隧道精益施工理论应用

盾构隧道精益施工是精益思想在大型盾构隧道建设中的应用,是结合隧道施工特点的理论创新。针对大直径盾构工法,引入起源于汽车制造业的精益思想,提出盾构隧道精益施工体系,并结合钱江隧道工程,从理论和实践2方面对盾构隧道精益施工体系进行详细的阐述。通过分析盾构隧道精益施工的5S现场管理、盾构隧道精益施工标准化、精益运输模式以及PDCA循环,提出了全新的盾构隧道施工理念,并在实际工程中证明了其适用性和有效性。     

矩形盾构隧道准通用环管片排版技术研究

为解决矩形盾构隧道管片排版拟合任意空间设计曲线这一问题,提出了一种矩形盾构隧道准通用环管片排版技术,采用2种管片形成4种不同姿态拟合平竖设计曲线。利用Visual Lisp语言编制矩形盾构隧道准通用环管片排版程序,在一个500 m小转弯半径工程案例中进行管片预排版并验证其可行性。结果表明： 1）2种管片类型的数量大致相等; 2）拟合后的隧道平曲线与理论平曲线最大偏差为16.6 mm,竖曲线最大偏差为13.2 mm,满足相关规范要求。