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。     

考虑收敛变形的通缝拼装盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算分析

为了研究运营地铁通缝拼装盾构隧道长期沉降过程中衬砌结构横向变形对其纵向变形和受力的影响,基于上海轨道交通8号线西藏北路站—中兴路站运营盾构隧道现场试验监测数据,对等效连续化模型进行修正,考虑隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算方法进行对比分析。结果表明:1)弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。2)结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。3)在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

标准环+转弯环的双面楔形盾构管片排版技术研究

为提高盾构隧道掘进的施工效率、降低盾构管片排版错误的风险,针对管片类型为标准环+转弯环（为双面楔形）组合的盾构隧道,提出一种错缝拼装形式的管片预排版方法,并采用几何迭代法求出与目标线路偏差最小的一种盾构管片拼装姿势,可有效解决盾构隧道掘进过程中管片类型选择和拼装点位选取的施工难题。最后以南京地铁3号线某区间为例验证所采取方法的正确性,对盾构隧道掘进的施工组织和施工误差控制具有重要的指导意义。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

高水压过海盾构隧道建设关键技术可行性初探

过海隧道在我国发展迅速,拟建的琼州海峡通道、渤海海峡通道等跨海通道将面临超长距离、超高水压隧道掘进安全等技术难题的重大突破。根据目前的研究和实践,盾构隧道掘进水压在0. 8 MPa左右,一次掘进距离在8 km以内。为解决高水压条件下过海盾构隧道安全掘进和运营期间安全服役的难题,以琼州海峡中线盾构隧道(水压1. 2 MPa、掘进长度12 km)为工程背景,采用工程类比、施工阶段关键技术分析的方法,对高水压长距离过海盾构隧道关键技术可行性进行分析,提出盾构主动换刀+被动饱和潜水带压换刀+非常状态冻结加固脱困的综合换刀技术以及可更换密封综合技术,可保障盾构超长距离掘进;提出超高水压盾构复合式管片衬砌和内外结合的多道防水结构,可保障超高水压条件下盾构管片结构的安全服役。     

斜井隧道双模式盾构推进油缸布局优化研究

盾构推进油缸的布局合理性关系到隧道管片拼装质量,在斜井隧道施工中则更为突出。以煤矿斜井双模式盾构为例,通过分析不同掘进模式和工况下推进油缸布局优化条件以及根据单个管片受力均匀、管片环整体受力平衡及各分区推力均方差最小的优化原则,完成推进油缸的位置及分区优化。推进油缸布局优化后,各管片受力均匀,衬砌环整体受力平衡,各分区推力相近,有利于避免管片被压溃,研究结果对盾构推进系统的选型和设计有指导作用。     

水下圆砾地层盾构隧道施工期力学响应实测研究

为研究水下圆砾石地层盾构隧道施工过程中管片结构的力学响应,以常德沅江隧道为背景,选取沅江东线隧道江中埋深最大断面,采用连续测量方式对施工过程中管片的内力变化特征及管片外水压力进行测试,并将实测数据与数值模拟结果进行对比分析。主要结论如下： 1）水下圆砾地层中盾构隧道管片结构外部水压受施工过程的影响显著,距开挖面1~10环呈波动变化,沿横断面不同位置出现最大值的时间不同,但在10环之后趋于稳定; 2）管片结构轴力受到脱环和注浆的影响明显,其中前3次注浆的影响最为显著,影响范围为1~9环,弯矩变化与轴力类似,但受注浆影响较轴力延迟1环左右; 3）稳定后管片轴力和弯矩量值均大于数值计算值,说明稳定后管片受盾构顶推、浆液固结、错缝拼装效应影响较大。     

地铁圆弧形隧道等腰楔形环的拼装与设计——齐次变换方法

为提高地铁盾构隧道施工效率和管片拼装精度,提出用等腰楔形环拼装圆弧形盾构隧道的新的理论与算法。主要结论如下:1)从理论上证明当等腰楔形环依次向相反方向旋转相同角度θ时,隧道轴线在一个平面上,隧道半径R=L/(2sinα/2·cosθ/2),其中L是环宽,α是楔形角;2)提出一种采用容许旋转角拼装楔形环的算法,确定整个盾构隧道上每个衬砌管片环的位置和方位;3)根据楔形环的方位可以确定隧道上的第几环是左转弯环,第几环是右转弯环,使封顶块的位置在隧道上部,从而确定整个盾构线路所需左、右转弯环的数量。     

黄土隧道马蹄形盾构工法选择及应用

目前铁路隧道施工以矿山法为主,但在黄土等软弱围岩隧道施工时风险大、进度慢;而盾构法已在地铁、水下隧道等软弱地层中得到了广泛应用。针对蒙华铁路砂质新黄土隧道:1)通过矿山法与盾构法比较确定采用盾构法施工。2)从开挖内轮廓、刀盘开挖特点、管片拼装方式、管片受力及配筋4个方面对马蹄形盾构隧道和圆形盾构隧道进行对比分析,得出马蹄形盾构隧道的断面利用率更高,马蹄形管片与圆形管片受力有所差别而马蹄形管片配筋量更低。3)介绍马蹄形盾构设备概况,并对马蹄形管片设计进行研究。4)例举马蹄形盾构掘进过程中遇到的防寒防冻、管片底部开裂和遇到含姜石的老黄土掘进困难等问题以及相应的处理措施。经过1年多的施工实践证明,在黄土隧道马蹄形盾构施工风险低,质量高,安全可靠。     

水下圆砾地层盾构隧道施工荷载实测及其力学响应研究

为研究水下盾构隧道穿越圆砾地层时管片结构施工期间受力的影响因素,以常德沅江越江隧道为依托,选取东线隧道水头最高位置对应的管片环,采用连续动态测量,提取管片从拼装完成至盾构远离过程中管片结构内力和地层水压力,并提取盾构施工中同步注浆压力和盾构顶推力,与管片内力数据进行对比分析,得出施工过程中影响内力变化的因素。主要结论有:1)同步注浆对管片内力的影响较为显著,且主要通过对地层水压力的影响来实现,其中,脱环后前3次注浆对管片内力影响最为显著; 2)顶推力对管片内力产生一定的影响,且主要通过对管片纵向受力的影响来实现,顶推力对内力产生负向影响; 3)管片受力稳定后,环向轴力稳定在3 700～5 000 k N,弯矩稳定在-200～200 k N·m,纵向轴力稳定在0～2 500 k N,整体呈现出轴力大、弯矩小的状态,管片健康程度较好。     

马蹄形盾构负环管片拼装技术

盾构负环管片拼装是盾构始发中的一个重要环节,其拼装工法将直接影响工程工期、盾构的顺利始发及后续管环的拼装质量(倾角、滚转角等)。以应用世界首台马蹄形盾构施工的蒙华铁路MHTJ-01标白城隧道为例,介绍盾构始发时负环管片的拼装步骤,研究负环管片拼装过程中管片的定位与固定方式,并针对性地设计马蹄形管片在管片推出时的支护方式与支护工装。最终形成一套科学、安全、高效并具有指导意义的异形盾构管片施工方法。     

隧道管片拼装常见问题分析

管片拼装是盾构施工中的一个关键环节.由于管片拼装与隧道开挖同时进行,隧道设计轴线、盾构轴线、管片轴线三者在施工中存在不同的位置关系,压浆的作用荷载和土压力荷载,在盾构后方的衬砌环中引起变形,管片环面的平整度、千斤顶与管片的接触角度等因素都会造成管片拼装的工程问题.结合工程实际,总结了管片拼装中易出现的6类工程问题,对每一类工程问题从现象人手认识问题,剖析产生的原因,在此基础上提出预防的方法和治理措施,进而确保隧道管片的拼装质量,提高隧道使用的安全性与耐久性.     

马蹄形盾构的工程应用解析

相较于圆形断面,马蹄形隧道有空间利用率高的优势,浩吉铁路白城隧道在国内首次采用马蹄形土压平衡盾构施工，具有安全、快速、环保的特点。通过梳理盾构施工的统计数据，发现其月平均施工效率达203 m，且每环拼装效率为38～43 min，但突遇姜石地质给施工带来很大的困难。本文阐述了盾构4个施工阶段的应用效果，解析了开挖盲区对多刀盘开挖和推进系统的影响、渣土改良和双螺旋输送机对陕北黄土地质施工的应对措施、马蹄形管片拼装机在应用中的优势与不足。为拓宽马蹄形盾构适用地质领域和提高施工效率，建议盾构今后的技术突破方向： 全断面仿形刀盘的开发和管片拼装系统的智能化，前者可实现盾构无盲区开挖、提升出渣系统效果和降低总推力的需求，后者有利于减少人员操作难度，提高拼装工艺的精准度。     

杭州环北大直径泥水盾构隧道下穿高铁桥涵的实测分析

杭州环北地下快速路隧道工程采用大直径（11.58 m）泥水平衡盾构浅覆土斜交下穿既有沪杭高铁桥涵。为确保高铁运营安全,对桥涵沉降进行监测,同时考虑盾构穿越施工阶段隧道所处的复杂环境条件,通过在管片中埋设纵向和环向钢筋应力计,对盾构施工引起的隧道纵向及环向结构响应进行全过程跟踪实测分析。监测结果表明： 桥涵最大纵向差异沉降率为0.20‰,最大横向差异沉降率为0.30‰,均在铁路安全控制标准内;在隧道穿越施工过程中,盾构总推力随盾构姿态的变化而变化,并对隧道管片受力和桥涵位移产生明显影响,其中,管片纵向轴力呈现“顶部大,底部小”的趋势,环向弯矩呈现“腰部最大,拱顶、拱底次之,两肩最小”的特点,桥涵倾斜方向也会发生变化。研究成果证明： 在大直径泥水盾构穿越施工过程中,为保障施工质量与安全,除了需要对穿越对象进行严格监控之外,对隧道本体进行监控研究也同等重要。     

意大利Sparvo隧道超大断面盾构施工关键技术

意大利Sparvo隧道采用直径为1555 m、开挖断面达到15615 m的土压平衡盾构进行掘进施工,是当时世界上最大直径的盾构法隧道工程之一,其施工风险高、技术难度大为业界所公认。扼要介绍意大利Sparvo隧道工程所采用的一些关键技术： 1）盾构装备的选型; 2）衬砌管片的设计与生产,包括混凝土配合比设计、配筋设计与调整、管片接头、管片止水带以及管片预制厂情况; 3）超大断面盾构隧道掘进施工关键技术,包括土体改良、易燃易爆混合气体的对策和盾构原地掉头。这些技术较好地解决了该隧道施工中出现的诸多难题,可为今后同类工程提供借鉴与参考。     

复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片技术在实际工程中的应用

为解决由于施工原因导致的区间右线盾构隧道严重上浮事故,文章依托长沙地铁4号线长沙火车南站-光达站区间工程,根据事故隧道所处环境及地质条件,提出在软岩地层中利用复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片的处理方法,主要内容： 1）根据实测数据对线路进行拟合,确定缺陷盾构隧道的长度约为40 m,需处理管片为223～247环,共计25环管片; 2）采用模糊综合评价法对缺陷盾构隧道处置方案进行比选,结果表明在软岩地层中采用复合式衬砌全断面置换缺陷盾构隧道管片方案为最优方案; 3）采用有限元法分别研究单次拆除1环、2环、3环、4环管片时地层及管片的位移及应力变化,结果显示随着一次拆除管片环数的增加,围岩拱顶竖向位移逐渐增大并出现连通的塑性区,邻近第1环管片向隧道内竖向位移及向隧道外水平位移逐渐增大,管片逐渐被压扁,其弯矩、轴力值也逐渐增加,围岩及拆除区域附近管片结构体系越来越不安全,因此施工时需控制一次拆除管片的数量; 4）为确保管片置换时原盾构隧道结构体系的稳定,确保安全,做到快速施工,开发了一种新型台车及其施工方法,将其应用于实际工程。     

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明：（1）双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。（2）单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。（3）提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

盾构隧道始发与到达段环间纵向压力空间分布规律研究

现场实测数据表明，盾构隧道始发与到达段各断面纵向压力较小，可能导致环缝漏水。为解决此问题，通过求解描述隧道变形特征的微分方程，获得隧道始发与到达段纵向力的分布规律；并以此为依据，提出纵向拉结构件的设计方法。研究结果表明： 1)在不采用拉结措施的情况下，进出洞口附近纵向力最小，接近于0； 2)距离洞口越远的断面，其纵向力越大； 3)采用纵向拉结措施可以有效地增大始发与到达段断面纵向力。在对纵向拉结构件进行设计时，其最小横截面积由隧道刚度和环缝止水垫闭合压力决定，其最小长度由隧道和地层之间的切向黏结刚度决定。     

盾构法隧道管片环缝面不平整对结构受力影响研究

为了解环缝面不平整导致管片产生渗漏裂缝的具体影响,对衬砌环不同错缝拼装角度、环缝面不同传力方式、环缝面不同不平整度等因素对管片纵向受力及开裂的影响进行研究。主要研究结论如下: 1)因管片制作尺寸误差不可避免,设计中必须考虑环缝面不平整对管片结构受力的影响。由环缝面不平整产生的纵向不均匀接触荷载既可能是施工荷载,也可能是使用阶段的一个可变荷载。2)因管片环缝面不平整产生的纵向荷载与衬砌环分块、拼装方式及传力方式等有关,1/3 或1/4 标准块错缝拼装角度产生的最大纵向荷载要大于1/2 标准块错缝拼装角度,凸台传力方式产生的最大纵向荷载要大于垫片传力方式。当管片分块与拼装方式相同时,凸台传力方式更容易使管片产生开裂。3)在采用最不利纵向荷载时,建议取1. 0Δ(Δ 为环宽允许偏差)作为环缝面不平整度设计值,计算所得管片纵向弯矩与管片横向内力组合后按双向偏压构件对管片进行配筋,且纵向弯矩产生的裂缝开展宽度不应大于0. 1 mm。