盾构隧道管片设计控制内力和变形分析

针对城市双车道公路盾构隧道，设计了一种9块分管片。采用结构一荷载模式并借助于有限元法进行了盾构隧道管片结构的力学分析，得到控制管片结构设计的内力和变形值，为管片结构的配筋设计和变形验算提供依据。     

广州地铁二号线某盾构工程衬砌管片接缝防水技术

广州地铁二号线越-三区间隧道盾构工程的防水是成功的，本文着重介绍其管片接缝防水的设计和施工技术，以期为今后类似工程提供借鉴。     

盾构隧道管片接缝密封垫区域平衡优化方法

当前中国盾构隧道接缝密封垫设计多采用工程经验及类比方法,常需借助防水试验及大量的数值仿真进行优化设计,缺乏理论支撑。为提高密封垫的防水性能,同时降低密封垫的压缩反力以提高盾构隧道的拼装效率,提出了基于功能区划的盾构隧道管片接缝弹性密封垫设计方法,该方法通过力学分析,将单个密封垫横断面划分为3个功能区块,对其进行数学离散,并在几何边界条件的规定下,建立了单个密封垫力学平衡模型及考虑正常压缩与错位压缩情况下的密封垫简化力学模型。依据模型对密封垫进行优化设计,针对2种密封垫采用有限元方法进行数值分析,通过对压缩反力曲线、接触面应力等对比,分析2种形式密封垫的差异,并结合在最不利工况下进行的试验,通过对比两者的防水水压,验证设计方法的可行性。结果表明：通过调整接缝密封垫孔型能达到在不影响接触应力的条件下改变密封垫闭合压力的目的,开孔率及材料硬度对接缝密封垫受力影响较为一致;该设计法理论能够实现较好的优化效果,优化后的密封垫能够平衡各渗水路径的接触面应力及在不影响密封垫防水能力的前提下降低密封垫压缩反力。所提出的方法通过了数值分析及试验验证,可用于密封垫的初步选型与分析。     

深部盾构斜井管片衬砌内力分析

以神华新街煤矿深部盾构斜井为工程背景,运用有限元软件ANSYS,建立管片衬砌-斜井围岩的二维模型,研究了衬砌围岩间两种接触作用和管片衬砌两种接头刚度模拟方式对斜井衬砌受力特性的影响。结果表明:在煤矿盾构斜井计算模型中,由于摩擦系数取值随意性大且计算收敛性差,衬砌围岩之间采用节点位移耦合接触作用更为合理;由于非线性抗弯刚度一般根据管片接头试验取值,计算结果相对合理,管片衬砌应采用非线性接头刚度。     

盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨

以铰接圆环、匀质圆环和梁-弹簧模型三种力学模式对盾构隧道管片衬砌的内力进行了计算分析,得出用梁-弹簧模型计算的弯矩值介于铰接圆环和匀质圆环的内力值之间.梁-弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚度,能够真实地模拟管片衬砌的力学行为,因此在盾构隧道管片衬砌设计中,具有推广意义.     

上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝密封垫形式试验研究

为使接缝处弹性密封垫在张开8 mm、错位10 mm的情况下仍能满足1.2 MPa高水压长期防水性能设计要求以及保证盾构拼装能力,对采用双道耐高水压密封垫的上海市深层排水盾构隧道工程接缝防水密封垫断面形式进行设计。对不同断面密封垫进行防水性能以及闭合压缩力数值模拟,通过对比分析、不断优化,得到防水和力学性能较优的密封垫断面形式,并进行管片接缝防水性能试验和闭合压缩力试验。试验结果表明:采用推荐断面形式的密封垫在邵尔A硬度为67度时,在精确装配下和接缝张开8mm、错位10 mm的情况下均满足1.2 MPa的长期防水能力要求,且适应盾构的拼装能力。     

盾构隧道管片接缝复合型密封垫选型设计研究

为研究盾构隧道管片接缝复合型密封垫中遇水膨胀橡胶块对其防水性能的影响,从复合型密封垫遇水膨胀橡胶块二次防水效应出发,提出基于遇水膨胀橡胶块几何尺寸及截面形式的复合型密封垫选型设计方法。利用该选型方法对中孔通用型复合密封垫进行数值选型分析,采用ABAQUS网格间求解变换技术,研究不同遇水膨胀橡胶块截面类型和尺寸对复合型密封垫防水性能的影响,得到复合型密封垫防水性能和压缩性能的变化特征,确定原复合型密封垫的最优化选型结果。结果表明： 1）考虑遇水膨胀橡胶的防水性能后,复合型密封垫的二次防水性能有所提高; 2）与六边形截面形式的遇水膨胀橡胶块相比,梯形截面形式的遇水膨胀橡胶块能够大幅提升中孔复合型密封垫的防水性能; 3）复合型密封垫的压缩量与压缩力的关系呈现出阶段性变化特征,变形较小时表现为线性关系,随着变形逐步增大逐渐过渡为非线性关系。     

盾构隧道纵向变形机理分析

对隧道纵向性能的研究近年来正受到越来越多的关注.基于盾构隧道纵向变形的两种主要形式,即纵向沉降和纵向上浮,首先分析了纵向下沉和上浮的产生机理,对可能产生下沉和上浮的各种因素进行了系统总结,将下沉原因归结为区间隧道与车站间的差异沉降、下卧土层变化、地面加载、施工影响以及临近施工扰动等5个方面,将上浮原因归结于上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压、地面卸载、地基回弹作用以及上覆土的反向压缩作用等6个方面.进而分别从影响因素、发生时间、发生部位、变形方式以及约束条件等方面,对纵向沉降和上浮进行了综合比较.     

防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

为实现管片接头的受力和接缝防水共赢,利用可模拟复杂接头特性的管片接头力学模型,分析不同位置、不同宽度、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响,并探讨兼顾管片接头受力与密封垫防水的接头设计,给出相应改进建议。研究表明： 1)对于软弱地层的管片接头,密封垫靠近接缝面中部布置可以使管片接头保持较高的抗弯刚度,降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服的风险,确保管片接头的受力安全,并具有良好的接缝防水能力; 2)对于硬质地层的管片接头,其密封垫靠近接缝面边缘布置或采用大宽度密封垫,并配合采用改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等综合措施,可达到同时降低接头抗弯刚度、确保接头安全、提高接缝防水的目的。     

大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析

在对盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型法进行详细阐述的基础上,以长沙某过江隧道工程为研究对象,借助ANSYS有限元软件APDL语言编制了修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型法的计算程序,并分别对不同分块方案时管片环最大变形量、轴力、弯矩及剪力等的大小、分布规律进行了系统研究,以探明不同设计方案、计算分析方法下的管片环内力分布,为工程优化设计提供参考。     

双护盾TBM掘进施工管片内表面裂缝成因分析

在某双护盾TBM隧洞施工过程中,侧管片内表面连续出现了贯穿管片宽度的裂缝。通过对施工现场详细观察,对裂缝的分布位置、数量、缝宽进行统计分析;结合裂缝观察方式、裂缝性状与TBM操作特点、围岩状况、地下水状况、管片结构、回填灌浆等情况,对裂缝成因进行了探讨和研究。认为TBM在软质地层掘进过程中主推油缸强行牵引及尾盾钢板约束是造成管片内表面裂缝的主要原因,最后,提出了降低或减少裂缝产生的建议与措施。     

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。     

盾构隧道管片内力参数化计算Abaqus二次开发

盾构隧道在设计前期需要进行大量工况的隧道管片内力计算,计算时采用梁-弹簧模型可以较为接近实际情况,但采用该模型需要使用有限元软件实现,建模计算过程非常复杂。为了简化盾构隧道管片内力的建模分析过程,文章对Abaqus及其二次开发功能进行了介绍,基于Abaqus有限元软件内嵌的Python脚本语言和前处理接口进行二次开发,实现盾构隧道管片内力建模计算的自动化、参数化,并通过实例证明二次开发极大地提高了分析效率。     

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。     

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。     

裂缝数量对盾构隧道管片结构力学性能的影响

盾构隧道管片在制作、养护、运输及拼装过程中,常会出现裂缝,裂缝的存在在一定程度上会影响管片衬砌结构的整体受力。以中国某地铁越江盾构隧道为工程背景,采用相似模型试验的方法,基于盾构隧道管片的位移、内力及声发射数据,系统分析裂缝数量对管片衬砌结构力学特性的影响规律,并通过管片破坏过程示意图分析管片结构的破坏模式。研究结果表明：管片衬砌结构承载阶段可划分为弹性承载、塑性承载和破坏失稳3个阶段;裂缝的存在降低了管片衬砌结构的整体刚度,随裂缝数量增加,管片衬砌结构的弹性承载范围增加,塑性承载阶段范围减小,损伤破坏的空间影响范围呈增大趋势,结构的失稳破坏趋于突发性破坏,相同荷载下的变形增大,结构的极限承载力降低;裂缝的存在使得管片在预制裂缝位置产生纵向贯通裂缝,随裂缝数量增加,纵向贯通裂缝数量增加,破坏区域由某一位置发展为条带状分布,当拱腰预制裂缝数量达到3条时,裂缝之间管片的相互挤压导致网状裂缝产生,结构局部出现压溃区。     

地热利用型盾构法隧道施工探索——以清华园隧道能源管片设计、制作及安装为例

土建工程中的隧道结构兼作浅层地热换热构件时被称作能源隧道。盾构隧道中可先将热交换管安装在预制管片中形成能源管片，现场施工时将各管片连接形成回路，这种隧道称为能源盾构隧道。文章基于国外已有的2个能源盾构隧道管片施工和安装研究实例，结合京张铁路清华园隧道3环27个能源管片的设计、制作及安装工作，从管材的选用、管片的预制、管片的现场安装等方面对地热利用型盾构法隧道的施工方法进行总结梳理，根据施工中遇到的具体问题，从管片制作和现场施工的角度对能源管片规模化施工面临的问题提出可能的解决方法。