潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道--苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度; 建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况; 进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明： 较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量; 潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。     

盾构隧道纵向地震响应的多尺度分析方法

针对目前盾构隧道抗震设计仅限于横断面分析,缺乏有效的纵向地震响应分析方法的问题,提出了一种用于模拟盾构隧道纵向地震响应的宏-细观多尺度分析方法,其中宏观等效模型用于描述盾构隧道结构整体的地震响应特性,细观精细化模型用于捕捉结构关键断面接头处的变形响应。宏观等效模型采用黏弹性地基梁来模拟,即将盾构隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的三维梁单元,且充分考虑了由于环缝影响引起的梁纵向等效刚度折减以及隧道内部结构对纵向等效刚度的附加效应。基于宏观等效模型的地震响应规律分析,确定出盾构隧道沿线的最不利断面位置,从而将这些关键区段替换为考虑隧道环缝接头的细观精细化模型,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的环缝张开量和错位量等变形,克服了传统连续均质化模型无法反映环缝变形量的不足。最后,将该多尺度分析方法成功应用于世界首个特高压GIL电力盾构隧道,为实际重大工程的结构纵向抗震设计和安全性评价提供了科学依据和技术手段。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

地铁盾构隧道纵向长期沉降的安全性评估研究

在纵向等效连续刚度模型的基础上,考虑环缝影响而得出修正模型,并将其应用于已建成盾构隧道长期运营过程中的安全评估。确立隧道纵向安全评估的安全体系,在运营期前提出有利于控制隧道纵向变形的方法,并在运营期对隧道的纵向安全进行合理评估。     

深埋排水调蓄盾构隧道管片1∶1力学试验系统的研发与应用

建设深埋排水调蓄隧道是缓解城市内涝问题的最有效方法之一。深埋排水调蓄隧道管片由于其直径大、外部水土荷载大、受内水压等特点,在工程实际应用前须对其受力变形特征进行研究。提出了一种1∶1平躺式原型盾构管片力学加载方法,并建立了一套管片模型试验数据采集系统。基于该试验系统,以上海苏州河段深埋排水调蓄水隧道为例,通过单环整环试验研究了埋深增加、蓄水和排水状态下管片结构内力和变形的变化规律,建立了接头抗弯刚度与偏心距之间的关系。试验结果表明:空管状态竖向收敛和水平收敛值分别为18,20mm,满管状态竖向和水平收敛值分别为78,80mm,蓄水对管片受力变形较埋深增加影响更为明显;卸载后管片变形无法恢复到初始状态,管片整体呈现非完全弹性的特点;接头抗弯刚度受管片内力影响较大并呈现空间变异性,空管状态接头抗弯刚度约为满管接头抗弯刚度的3~6倍;抗弯刚度与偏心距近似呈反比例函数关系,正负弯矩条件下均可以划分为3个阶段。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

防水失效的盾构隧道管片环收敛变形控制标准研究

盾构隧道日常健康监测中,弹性橡胶密封垫工作性态难以直接快速评估,针对该问题,提出以隧道收敛变形为监测指标,采用数值模拟方法计算得到防水标准条件下的弹性密封垫极限松弛量,并结合接头刚度的迭代算法由管片环梁-线性弹簧模型确定弹性橡胶密封垫极限松弛量对应的管片环收敛变形量。由考虑地层差异设置的5种工况计算结果认为:埋深土层土体特性差异对防水失效的上海地铁通缝拼装式盾构隧道管片环收敛变形量影响不大,其控制标准可定为管片环外径D的3.5‰。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯刚度取值研究

为找到一种便于工程应用的管片接头抗弯刚度取值方法,采用考虑管片接头复杂结构形式、混凝土非线性材料特性以及接缝面复杂接触传力特点的大断面管片接头抗弯分析力学模型,对广深港狮子洋隧道和南京长江隧道2座典型大断面隧道的管片接头抗弯刚度Kθ进行计算; 基于所得到的抗弯刚度Kθ的非线性变化规律和数据分析方法建立抗弯刚度取值经验公式,并开展接头抗弯足尺试验对取值结果进行验证。结果表明： 1）当接缝轴力不变时,抗弯刚度随弯矩的增大表现出明显的非线性变化规律,由接触上升段、线性下降段以及非线性下降段组成; 2）抗弯刚度与轴压比的作用关系曲线近似为线性; 3）抗弯刚度与偏心距的作用关系中分为正常使用状态下的小变形区以及伴有混凝土压碎、螺栓屈服特征的大变形区,其抗弯刚度-偏心距关系曲线可分别近似为直线和抛物线; 4）抗弯刚度经验公式的计算结果与接头抗弯足尺试验结果的相符度较高,表明该取值方法合理且计算准确度较高。     

小直径盾构施工中管片纵向应力监测研究

为了探索小直径盾构法隧道在施工过程中管片纵向应力的变化规律,对北京槐房再生水厂污水隧道管片纵向应力进行了现场监测:将第976环、第1 054环管片分别设为第1和第2监测断面,2监测断面各预埋5个纵向应力计,各监测断面从本监测断面管片安装后即开始监测,当盾构掘进至第1 129环时停止监测。研究表明:1)在管片离开盾尾50环后,其纵向应力波动值小于管片拼装期间应力值的5%。2)在盾构掘进期间,管片距离盾构越远,其纵向压应力值越小。3)在管片拼装期间,管片距离盾构越远,其纵向压应力经历了先增大后减小的过程。4)管片距离盾构108环后,该管片纵向压应力趋近于0.2~0.3 MPa。5)随着盾构推进,管片纵向应力经历了4个阶段的变化过程,即周期性剧烈波动阶段—动态稳定阶段—逐渐衰减阶段—趋于稳定阶段。     

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。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

盾构隧道抗震减震措施主要有两个总体思路,即:改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方便有多种方式,比如:增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的分析。得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。     

盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题,以苏通GIL工程管片接头为研究对象,建立三维精细化接头数值模型,模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力,采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性,进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律,与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度; 2）正负弯矩作用下,无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形,正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关,负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变; 3）接头采用斜螺栓连接时,正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

大断面异形盾构隧道弯矩传递系数原型加载试验研究

由于异形盾构隧道特殊的结构断面型式,管片设计暂无相关规范可循,故基于原型三环管片力学加载试验对异形盾构管片环向接头弯矩传递系数进行研究,研究结果表明:1)随埋深增加,异形盾构管片结构整体刚度提升,但由于各接头刚度与相邻管片结构刚度比随埋深增加变化规律不一致,异形盾构管片接头弯矩传递能力呈部分减弱部分增强的现象;2)同埋深条件下,随着侧压力系数的增加,除右拱腰处接头外,其余接头弯矩传递能力随着接头刚度与相邻管片结构刚度比的增大而逐渐增强;3)随着埋深增加,各接头弯矩传递能力对侧压力系数的敏感程度逐渐减弱;4)极限破坏后,异形盾构管片内外弧面裂缝的分布规律证明了明显的弯矩传递现象。     

盾构隧道结构纵向优化设计方法研究

目前的纵向设计方法均假定盾构隧道结构纵向刚度不变。在此基础上进行的盾构隧道纵向结构设计,无法达到结构纵向的变形受力协调,也无法实现结构纵向优化设计。在传统的纵向等效连续化模型的基础上,提出纵向刚度非均匀等效连续模型。模型最大的优点是可以实现盾构隧道纵向刚度分配的非均匀性,从而为纵向设计优化以及隧道结构纵向变形和受力协调的实现打下基础。在该等效纵向模型的基础上,建立2种优化设计模型,其一是以变形为目标、受力为约束的优化模型,其二是以受力为目标、变形为约束的优化模型。利用2种模型对盾构隧道穿过软弱夹层等工况进行分析,验证了模型的正确性。另外,利用优化的结果可以得到较为合理的隧道结构纵向刚度分布方式,以及纵向受力和变形协调的刚度取值范围,从而最终实现变形和受力协调。     

考虑衬砌渗透性的盾构下穿既有隧道纵向结构错台变形研究

目前针对盾构开挖下穿既有隧道的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,且未考虑既有隧道衬砌渗透特性,常常忽视地基剪切变形和既有隧道渗漏水的影响。基于体现土体剪切特性的Pasternak地基模型,首先计算了既有隧道渗漏水影响下盾构开挖在既有隧道轴线处产生的附加荷载。在此基础上,通过能量变分法建立由抗拉弹簧及剪切弹簧共同连接相邻管片环的既有隧道变形模型,获取隧道纵向结构剪切错台响应规律。选取多个工程实例,将理论解析结果与现场实测数据进行对比后发现,考虑地基剪切变形及既有隧道渗漏影响的理论解析结果更加贴近实测数据。此外,针对既有隧道异常渗漏区间渗漏程度、异常渗漏范围、异常渗漏位置进行了影响因素分析,并依据环间错台量及环间转角对既有隧道进行安全等级评估。通过参数分析发现：随着异常渗漏区间衬砌渗漏程度的增大,既有隧道纵向结构变形显著增大,当异常渗漏区间衬砌-土体相对渗透系数为0.1时,已有小范围环间错台量及转角被纳入安全评估等级Ⅲ;随着异常渗漏范围的扩大,既有隧道纵向结构变形增大,更大范围的环间错台量及转角达到安全评估等级Ⅲ;异常渗漏位置向远离新建隧道中心轴线方向发生偏移,既有隧道纵向变形逐渐减小,纵向结构变形峰值沿异常渗漏位置偏移方向发生偏移。