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。     

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。     

输水管道盾构隧道衬砌结构内力计算比较分析

盾构隧道衬砌内力计算的方法有多种，但各有优缺点。针对潮河输水管道盾构法隧道衬砌结构，分别采用荷载结构法中考虑土体侧向弹性抗力的匀质圆环修正惯用法和连续介质有限元法进行内力计算。通过比较衬砌管片结构内力和变形分布规律，得到了对设计有参考价值的结论。     

下坡盾构到达段上浮原因及措施

在盾构到达施工过程中,盾构机及管片在接近洞门时会出现上浮.从上浮空间、盾构机受力和管片受力三个方面进行的分析结果表明:盾构在下坡段的过量超挖为上浮提供了空间;盾构机在下坡线路中掘进受到向上的合力作用,为盾构机提供了上浮力.通过弹性地基梁法简化计算,分析了管片在浆液中的上浮趋势,提出了盾构、管片上浮的控制措施,保证了盾构的顺利进洞.     

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。     

盾构隧道同步注浆材料外加剂黄原胶的研究与应用

盾构同步浆液由于凝固时间较长,浮力长期存在,直接导致组成隧道的管片错台、破损和隧道超限等问题,影响到地铁隧道的验收与运营。文章分析了管片上浮作用机理,提出了同步浆液对管片的广义浮力及广义浮力密度概念,通过在同步浆液中加入黄原胶,取代常规同步浆液中的膨润土,极大提高了同步浆液的假塑性。通过简单的试验计算分析得出:加入黄原胶的新型同步浆液静置10 min,由于其特有的假塑性比常规同步浆液对管片的广义浮力降低许多,甚至广义浮力接近为0。通过成都地铁某盾构区间隧道实际应用表明:添加黄原胶的新型同步浆液有效填充了管片与开挖面之间的间隙,基本解决了盾构隧道上浮的难题。     

河底地铁盾构隧道管片受力特征分析

穿河盾构隧道相比其它区段盾构隧道的工程地质和水文地质条件更为复杂,特别在我国南方地区,季节性降水量大,地表及地下水位变化明显。针对穿河盾构隧道富水软粘土地层,文章以佛山地铁2号线某区间穿河盾构隧道管片为研究对象,利用Abaqus有限元软件,采用梁-弹簧模型对受力管片进行数值计算分析,并与现场试验所测得的管片轴力进行验证。结果表明,现场测试管片受到的土压力略小于采用全覆土压方法的计算值;盾构隧道周围的水压对管片内力的影响较大,穿河盾构隧道即使上部土层透水性差,在管片设计时也要考虑岩层中裂隙水和承压水存在的可能,且为安全考虑,作用在管片上的土压可按全覆土压来计算。     

粘性地层地铁盾构隧道管片结构力学特征研究

以南京地铁一号线为工程背景,采用现场试验的研究手段对穿越粘性地层的盾构隧道管片结构在施工全过程和稳定期的力学行为进行了系统研究,同时采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型对其进行了有限元数值模拟分析,并将结果进行比较和综合,提出了粘性地层条件下地铁盾构隧道管片结构的设计原则与方法。     

泥炭(质)土地层盾构隧道结构力学行为研究

文章以昆明泥炭(质)土地层地铁盾构区间工程为依托,对隧道结构周边不同地层分布及组合工况其影响盾构隧道管片衬砌结构的内力分布规律进行了研究;在此基础上,选用最不利荷载工况,采用改变地层抗力系数的方法模拟泥炭(质)土地层扰动,对泥炭(质)土不同扰动程度下盾构隧道管片衬砌结构力学行为进行了深入研究,得出了盾构隧道结构内力随泥炭(质)土扰动程度的变化规律。研究成果可直接指导昆明泥炭(质)土地层地铁区间盾构法隧道的设计,同时为软土地层盾构隧道的设计提供指导。     

粘土地层大断面异形盾构隧道结构力学特征数值试验研究

文章基于修正惯用法和壳-弹簧模型两种计算方法,研究了原型试验条件下错缝拼装的异形盾构管片随覆土厚度增加的力学行为特征。研究结果表明,异形管片结构整体变形呈"横鸭蛋"形;环向接头存在使结构内力呈非对称分布,纵向接头的剪切作用和幅宽边缘对其加强作用使幅宽边缘内力普遍大于幅宽中央;基于平面应变状态的修正惯用法夸大了错缝拼装对管片纵向的加强作用,计算结果要大于考虑三维空间问题的壳-弹簧模型,说明修正惯用法作为异形管片的设计方法是偏于安全的;建议异形盾构管片横向刚度有效率范围为0.72~0.87,正弯矩区弯矩传递系数范围为0.245~0.256,负弯矩区弯矩传递系数范围为0.166~0.197。     

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。     

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。     

盾构隧道管片壁后注浆厚度对隧道抗浮影响研究

在富水粉砂土地层中,地震液化作用易引起盾构隧道管片上浮,进而导致隧道结构破坏。文章通过振动台模型试验与数值模拟相结合的方式,研究了盾构隧道采取壁后注浆措施前后周边液化地层的动力响应,揭示了盾构隧道的主要破坏模式为液化上浮。在峰值加速度保持不变的情况下,采取壁后注浆的方式虽然不能明显缓解地基土的液化趋势,但可以显著降低模型隧道的上浮位移量。数值模拟结果与试验结果表明:砂土液化最先发生在地表及浅层土体处,随着模型深度的增加,砂土的液化程度逐渐降低,即增加隧道埋深有利于降低隧道液化程度。壁后注浆体通过与隧道结构形成整体,间接增大了上覆有效压力,能够抵消地基液化产生的上浮力。对于直径为6.2 m的盾构隧道,通过管片二次注浆孔进行注浆加固,浆液渗透半径达到1.0 m以上将能产生非常明显的抗液化上浮效果。     

盾构在软土地层掘进过程中的管片上浮研究

通过对杭州某地铁施工实例的监测与分析得出,隧道上浮可分为初次上浮和二次上浮,且初次上浮量在隧道总上浮中所占比重较大,约为50%~80%。文章结合该区间段盾构隧道施工,采用abaqus有限元软件对盾构在软土地层掘进过程中的管片上浮进行了分析,得出了管片上浮、管底处下卧土层回弹和管顶处上覆土层沉降随注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力、千斤顶压力等因素变化发展的规律。研究结果表明,管片上浮可分为三个阶段:上浮激增段、上浮平缓段和上浮稳定段。     

地铁盾构隧道管片衬砌结构受力特征研究

以我国城市地铁区间盾构隧道为对象,采用几何比1/12,同时考虑盾构隧道管片接头效应和管片与土体相互作用效应的三维土-盾构隧道相似模型试验,对盾构隧道管片结构在不同拼装方式下的力学行为进行了研究,并通过现场原位试验进行印证和补充,最后将研究成果与梁-弹簧模型的理论分析结果进行了比较,得出的结论可为盾构隧道的设计提供参考.     

切向摩阻力对横穿滑坡区隧道受力变形的影响分析

将横穿滑坡变形区的隧道简化为弹性地基梁,当滑坡区内隧道段较长时,便会发生较大的弯曲变形;作为特殊的全埋式弹性地基梁,有必要研究切向摩阻力的影响。文章首先建立了考虑切向摩阻力作用下隧道的弹性地基梁计算模型,然后引入逐步修正的思想,采用传递矩阵法建立了其内力和位移的传递矩阵计算式,并编制了相应的计算程序。计算结果表明:切向摩阻力对隧道的影响范围主要集中在滑坡边界的附近区域,并使隧道的内力和位移在一定程度上均有所减小;滑坡区内切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较小,滑坡区外切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较大。     

浅覆土盾构最小埋深的正交试验分析

盾构隧道上覆土层过薄,将可能出现正面塌方或涌水等严重事故。文章针对目前水下盾构隧道最小埋深计算理论存在的问题进行了分析,给出了考虑抗浮安全系数、土层抗剪强度及管片壁后注浆压力的浅覆土盾构最小埋深的计算公式;同时,采用无空列正交试验分析的方法,对影响盾构上覆土厚度的隧道半径、管片壁厚、注浆压力、上覆土有效重度及有效内摩擦角、土的粘度等因素进行了极差和方差分析,得出了最小埋深的显著性影响因子及其随各因素的变化趋势。研究表明:管片厚度及有效内摩擦角对埋深变化影响不大,注浆压力影响非常显著,对推荐公式的主要影响因素为注浆压力、土的粘度、土的有效重度、隧道半径、土的有效内摩擦角、管片厚度。     

考虑施工过程的浅埋软弱隧道管棚变形预测及参数敏感性分析

目前的隧道管棚计算方法和理论解析存在计算繁杂,计算参数的选择对分析结果的正确性影响较大且无法获得精确的理论解或简化的计算公式等问题。文章基于Winkler弹性地基梁理论,考虑隧道施工过程中围岩扰动特性、支护未封闭不完全承载特性、地层反力系数差异特性及荷载分布不均匀特性,建立了管棚超前预支护变形理论计算模型,并通过求解24阶方程组获得超前管棚预支护理论解析。结果表明:1)解析解与数值解和现场实测值吻合度较高,解析解可用于管棚变形预测;2)管棚直径、开挖进尺、地层反力系数均存在最优参数取值,环向间距与管棚变形呈正比例关系,管棚长度并非越长越好,只需满足管棚远端超前掌子面前方2倍台阶高度即可;3)实际施工过程中,通过调整管棚参数来控制隧道拱顶沉降效果从优到劣的顺序为:开挖进尺、注浆改善地层力学性质、环向间距、直径、长度。     

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。     

复合式土压平衡盾构刀具切削扭矩的研究

为了准确地估算盾构刀盘的切削扭矩,文章通过对刀具切削扭矩影响的研究,提出了对复合式盾构应同时考虑切刀和盘形滚刀对切削扭矩的影响.为此,对滚刀和切刀切削产生的地层抗力扭矩进行了计算公式的推导,并通过实例进行了切削扭矩计算和切削扭矩的影响因素分析.本研究为盾构的选型和设计提供了理论参考.