火灾高温后盾构隧道管片-加固体界面粘结性能试验研究

用复合腔体加固体加固隧道结构是一种新型的加固方法,为了掌握火灾高温后复合腔体加固盾构隧道后界面的粘结性能,开展了50~400℃高温处理后粘结剂力学性能试验和混凝土立方体试件-复合腔体界面双面剪切试验。试验结果表明:1)在较低温度条件下,温度升高能优化粘结剂的力学性能;在较高温度下,粘结剂的力学性能随着温度的升高而降低,粘结剂的力学性能在150℃温度条件下最优,在超过300℃温度条件下,力学性能几乎失效。2)高温后混凝土-复合腔体界面破坏形式分为A,B,C3种类型,混凝土-复合腔体界面的剪切刚度随着温度的升高而降低;混凝土-复合腔体界面粘结性能的最佳工作温度TP在50℃左右,完全失效温度Tf为300~400℃,在较低温度(15℃和50℃)、较高温度(100℃和200℃)和高温(250℃~Tf)条件下,影响混凝土-复合腔体界面粘结性能的主要因素分别是混凝土的剪切强度、碳纤维布-钢管界面的粘结性能和混凝土-粘结剂界面的粘结性能。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

盾构隧道纵向刚度及影响因素模型试验研究

为研究盾构隧道纵向刚度及影响因素,研制盾构隧道纵向刚度分析模型试验装置,对盾构隧道纵向变形特性和抗弯刚度进行试验研究,揭示不同因素对隧道纵向刚度的影响规律,并开展试验成果与既有研究结论的对比分析。研究结果表明:盾构隧道在竖向荷载作用下纵向弯曲下沉,管片自身变形很细微,其底部位移能表征盾构隧道等效连续梁的弯曲特性;盾构隧道纵向荷载～位移并非严格遵循同向线性关系,不同荷载水平对应不同的纵向刚度有效率;管片环宽与接头数量对盾构隧道纵向刚度影响显著,纵向刚度对管片环宽和接头数量变化的响应具有典型的非线性特征;试验依托盾构隧道纵向刚度有效率0.04～0.125,刚度有效率随外部荷载增大而减小,且荷载达到一定程度后趋于稳定,增大荷载会放大接头对管片刚度的削弱作用;借助数值法取接头单元刚度为特定经验值,计算盾构隧道纵向刚度存在不容忽视的误差。利用等效连续化模型计算盾构隧道纵向刚度时,建议按20%～30%折减。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

盾构施工壁后同步注浆对隧道管片的影响分析

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道为依托工程，利用数值模拟的方法，设置了9个工况研究不同注浆参数对盾构隧道管片受力的影响。结果表明:管片所受到的最大压应力值远小于混凝土的极限抗压强度，但随着注浆浆液重度或注浆层厚度的增加，管片所受到的最大拉应力值可能达到或超过混凝土的极限抗拉强度，从而导致管片发生破坏。     

小直径盾构隧道管片抗弯承载试验研究

220 k V犀牛站118 m转弯半径电缆隧道在国内首次采用外径4.1 m、内径3.6 m、宽0.8 m的小直径钢筋混凝土盾构管片。为研究该管片的抗弯性能以及盾构手孔对刚度的影响,对其进行试验研究,量测试验构件的挠度与裂缝宽度;采用ABAQUS有限元软件建立三维模型模拟管片加载全过程;同时采用《混凝土结构设计规范》(2002版与2010版)计算管片在不同荷载工况下的裂缝宽度,并与实测值进行比较。研究结果表明:小直径盾构管片发生典型的弯曲破坏,构件延性良好;裂缝宽度实则值与2010版《混凝土结构设计规范》计算结果吻合良好;盾构手孔对管片的刚度影响较小。     

盾构隧道钢纤维混凝土管片接头极限承载力试验

针对钢纤维混凝土管片在盾构隧道工程中应用日益频繁的现状,以盾构隧道钢纤维混凝土管片接头为试验对象,采用足尺试验方法对钢纤维混凝土管片接头和传统钢筋混凝土管片接头的极限承载能力进行研究,归纳宏观破坏现象,获得了荷载-挠度曲线和弯矩-转角曲线等整体力学响应特性,得到了荷载-螺栓应变关系和荷载-混凝土表面应变等局部力学响应特性,分析了受压区剪裂缝的扩展规律,探讨了接头的延性指标,并对接头进行了基于性能的极限承载能力评价。研究结果表明:钢纤维混凝土管片接头的开裂荷载比钢筋混凝土管片接头提高12.9%;钢纤维混凝土管片接头的极限荷载与钢筋混凝土管片接头基本一致(略微增加4.4%);钢纤维混凝土管片接头具有优良的抗裂能力,受压区剪裂缝数量为1个,少于钢筋混凝土管片接头的3个,承载能力极限状态时的最大裂缝宽度从3.82mm减少到1.35mm,正常使用状态时的最大允许裂缝宽度(0.2mm)对应的荷载抗力提高了43.75%;钢纤维混凝土管片接头的受力性能优于钢筋混凝土管片接头;研究成果可为钢纤维混凝土管片在盾构隧道工程中的应用提供理论支撑和技术参考。     

高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验

为了选择适用于软土地区深埋排水盾构隧道管片接头结构形式,针对新型高承载力盾构隧道管片接头预埋件结构,开展了1∶1结构抗拉性能试验,研究管片接头预埋件在不同荷载工况下,锚筋的应力分布和传递、接头板的变形和位移、螺栓的应力分布、管片混凝土裂缝的分布扩展情况和结构最终破坏模式等力学特征。研究结果表明:锚筋应力随着与预埋件连接处距离的增加逐步减小,且传递曲线均呈现出先陡后缓的趋势;接头预埋件锚板和锚筋的存在,使得接头的整体刚度得到了增强,同时提高了结构的承载能力;结构最终破坏模式是接头预埋件与锚筋的连接位置发生断裂破坏,且结构破坏时预埋件整体有较大的翘曲变形,因此可以考虑提高预埋件与锚筋的连接性能并相应增加预埋件的刚度以进一步改善结构的整体性能。     

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。     

波纹钢板加固盾构隧道衬砌管片抗弯性能试验研究

为提高既有隧道结构承载力及刚度,对盾构隧道衬砌管片进行波纹钢板加固,并采用足尺试验方法,对2块加固管片与1块未加固管片进行2点抗弯加载,分析加固管片的受力过程、破坏模式以及加固机制,并对其加固效果进行总体评价。试验结果表明： 1）波纹钢板加固是一种有效的加固方法,可以有效提高管片极限抗弯承载力及刚度; 2）加固后管片破坏模式为斜截面受剪破坏; 3）加固钢板与管片界面间存在较大剪切应力与径向剥离应力,应设置有效的抗剪及抗剥离构造措施。     

考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法

纵向抗弯刚度是盾构隧道的基本力学参数,其取值的合理性直接关系到盾构隧道纵向响应分析结果。针对盾构隧道纵向抗弯刚度取值未考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的问题,提出了一种考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法。首先,通过理论分析将盾构隧道的纵向挠曲变形考虑为均质圆管的纵向挠曲变形与管片环环缝张开导致的纵向挠曲变形两部分,并由此得到了盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法,其结果与管片材料的弹性模量、隧道外径、管片幅宽、环缝接头数量、环缝接头拉伸刚度和纵向残余顶推力等因素有关。然后,设计了可考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的缩尺模型盾构隧道,并开展了纵向抗弯刚度模型试验,分别对模型隧道的纵向挠曲变形量与环缝张开变形量进行了测试。最后,通过试验数据对纵向抗弯刚度解析算法进行了验证。结果表明：模型盾构隧道实测纵向抗弯刚度与理论算法求解得到的纵向抗弯刚度基本一致;当不施加纵向残余顶推力时,随着加载的增加,盾构隧道纵向抗弯刚度总体变化不大,而当施加纵向残余顶推力时,对于相同纵向残余顶推力,盾构隧道纵向抗弯刚度随着加载的增加而减小,并逐渐趋于稳定;在盾构隧道纵向响应分析中,需要减小纵向残余顶...     

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。     

盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

为了研究盾构管片接缝的接触特性,采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层,通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验,探究盾构管片接缝和接头处的切向和法向接触特性。由试验结果可知:1)接触面剪切应力随剪切位移的变化过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段,剪切峰值应力的残余百分比为55%~65%;2)橡胶垫层在混凝土之间起到了良好的缓冲作用,对管片的失稳破坏过程有一定的延缓作用;3)根据试验结果得出管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时接触面的切向和法向接触刚度,为盾构管片接缝传力垫层接触摩擦特性的分析计算提供参考。     

下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究

采用梁-地层弹簧模型,进行了在铁路列车荷载作用下盾构隧道纵向力学行为有限元分析。结果表明:当等效的管片环数较多时,环数的变化对其纵向刚度的影响很小,两侧计算边界取1倍上部荷载作用长度;当盾构隧道的埋深大于2倍隧道外径时,纵向内力和变形很小,满足强度和刚度要求,其纵向设计不需特殊考虑;随着埋深的增加,列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为,利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备,分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先,介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数;在此基础上,针对模型试验过程进行细致的说明。然后,通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况;详尽描述不同试验的相关结果,重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求;试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后,但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小,衬砌结构内部能够形成稳定的温度场;无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝,各管片结构的裂缝发展路径存在差异;衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小;外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。     

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性     

UHPC加固盾构隧道衬砌结构试验

为了研究超高性能混凝土（UHPC）加固盾构隧道衬砌结构性能,首先开展了UHPC材料抗压、抗拉试验研究,然后将其应用于加固盾构隧道衬砌结构,并开展了加固结构的极限承载力足尺试验研究。该加固方法包括以下步骤：在隧道管片内表面进行凿毛处理,在凿毛后的内弧面植入弯筋和化学锚栓,清理凿毛表面,最后在内弧面浇筑0.06 m厚UHPC。未加固衬砌结构整环外径6.2 m,环宽0.6 m,管片厚度0.35 m。加固结构通过外弧面上均匀分布的24个千斤顶进行加载,这些千斤顶分为3组,分别控制其荷载大小,以模拟地层的不均匀压力。标准养护条件下,UHPC18 d龄期（足尺试验龄期）的抗压和抗拉弹性极限强度分别达到138 MPa和12 MPa。加固整环结构的弹性极限由腰部外弧面的混凝土开裂控制,结构破坏是由于原管片接头位置出现4个塑性铰,致使结构变成可变机构。通过分析试验结果以及对比现有加固技术,得到如下主要结论：①UHPC材料的拉压力学性能对养护湿度的依赖性较小,材料存在明显的应变强化现象;②UHPC加固隧道衬砌结构极限承载力由管片接头部位性能控制;③UHPC自身的材料性能得到充分利用,但原隧道管片的材料性能尚未得到充分发挥;④相比未加固结构,初始结构刚度提高1个数量级,结构弹性极限提高了115%,UHPC加固结构承载力和传统的钢板加固相当。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时,可能发生环缝张开,使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程,采用自主研制的接头螺栓拉拔装置,开展了1：1接头足尺抗拉性能试验,分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下,管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响,对管片内表面的应力分布影响较小;纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中,未能充分发挥其承载能力,而在垂直接缝面的拉拔过程中,螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步,可充分发挥其承载能力,与混凝土强度配合较好;螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力,拧进程度越大,螺栓与套筒的联结能力越强,越能发挥纵向接头的抗拉拔能力;结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效,破坏具有突发性,顺拔工况下,纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏,垂直拔工况下,套筒内部螺纹被挤压破坏,因此,可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。