盾构隧道病害分析及上方架空轻质回填研究

研究目的:紧邻地铁盾构隧道的抗拔锚杆高压注浆易诱发严重的隧道病害,包括管片环错台、椭圆度超限、开裂、接缝及螺栓孔渗漏水等,影响地铁正常运营及结构安全。本文基于实际工程案例中基坑施工历程、隧道病害现状、监测数据,借助数值模拟手段,分析隧道上浮及病害成因,并提出一种隧道上方架空轻质回填的方案,为类似工程提供借鉴。研究结论:(1)基坑地下室大面积抗拔锚杆高压注浆是造成隧道发生上浮的主要原因,地下水位上升引起的隧道上方土层重度减小及强风化粉砂质泥岩的软化、膨胀,降低了隧道上方土层的抵抗作用;(2)隧道纵向不均匀上浮和注浆引起的隧道侧方压力增大,导致隧道发生环径向错台、椭圆度变形超限,过大的"竖鸭蛋"变形是隧道管片侧墙开裂、接缝及螺栓孔渗漏水的直接原因;(3)针对隧道开裂、渗漏水及椭圆度变形,提出相应的病害处理措施;(4)提出"架空结构+轻质EPS板"的回填方案、相应的施工工序及EPS板施工要点,实测结果表明该地铁保护方案将隧道沉降控制在9. 1 mm;(5)本研究成果可供类似盾构隧道上方堆载工程参考。     

盾构隧道管片破损及缺陷治理方法研究

盾构隧道管片常见病害包括管片开裂、接缝渗漏水、边角破损和错台等,这些病害经常发生在盾构隧道的建设期和运营期,如不及时有效治理,将会影响隧道运营安全。病害发生有地质、设计和施工诸方面的原因,最主要的原因是施工过程的质量控制不当。文章以以色列特拉维夫红线轻轨盾构隧道管片常见损害及缺陷修复实践为基础,分析各种损害及缺陷产生的原因,提出管片裂缝、边角破损、渗漏水、接缝错台的防止措施、修复和处理方法,以期为以后类似工程项目提供借鉴。     

圆形盾构管片拼装质量激光扫描自动检测研究

管片拼装是盾构施工过程中的关键一环。由于盾构姿态控制不当及其他因素,管片拼装错台、椭圆度失准等工程质量问题时有发生,而传统的人工抽检方法效率较低且检测范围有限,使得这些质量问题往往成为隧道结构体投入使用后的安全隐患。针对圆形盾构管片的拼装质量,采用三维激光扫描的方法,自主开发一系列包括坐标变换、非关键点剔除、边线提取、环中心拟合、径向错台计算、环向错台计算、椭圆度计算等的圆形管片点云处理算法,实现拼装管片错台和椭圆度的自动、即时、全面、精确检测。结合实际工程案例进行分析,验证圆形盾构管片拼装质量激光扫描自动检测方法的可行性。     

考虑错台条件的盾构隧道抗震性能分析

研究目的:管片错台是盾构隧道最为常见的质量问题之一,管片错台直接影响管片的受力,从而影响隧道整体抗震性能,可见管片错台对盾构隧道抗震性能的影响值得关注.目前相关研究较少,缺乏合理考虑错台的方法.针对该问题,本文提出一种考虑错台的方法,并借助数值方法探讨盾构隧道管片错台量及错台部位对其地震响应的影响.研究结论:(1)结构...     

基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差评价方法

盾构机在掘进过程中,由于盾构姿态控制不当等因素,管片拼装时常发生错台值、椭圆度失准等工程质量问题,这些施工质量问题往往会对隧道的稳定性及安全性造成影响,为保证盾构隧道的安全施工与健康服役,在施工过程中对盾构管片拼装质量进行动态评估尤为重要。针对传统盾构管片拼装检测效率低,精度有限及检测数据全面性差等问题,应用三维激光扫描技术采集盾构管片拼装成型后的点云数据,通过长短轴法和改进的按斜率分割法分别对盾构管片的椭圆度和错台值进行测算;同时提出环段数据拟合提取隧道中轴线及中心点的方法,实现盾构管片拼装质量高精度、高效率、自动化检测。结合实际盾构隧道工程案例分析,验证基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差检测方法的可行性。     

地裂缝环境下盾构隧道结构性状及适应性研究

为了揭示地裂缝环境下不同拼装方式盾构地铁隧道结构性状及适应性,以拟建西安地铁8号线为依托工程,考虑采用盾构隧道穿越地裂缝场地为工程背景,建立三维有限元数值模型,对地裂缝错动作用下不同拼装方式盾构隧道结构变形与内力及适应性进行分析。主要结论:地裂缝错动时通缝拼装盾构隧道沉降变形明显大于错缝拼装盾构隧道;拼装方式对管片衬砌结构内力分布规律的影响不大,均表现为拱底位置出现管片接头挤压破坏和两侧拱腰位置受剪最为严重,但数值上通缝隧道内力更小一些;通缝隧道的环间相对垂直位错量及影响范围均大于错缝隧道。从地裂缝场地盾构隧道适应性来看,当地裂缝位错量s≤10 cm时,两种拼装方式的盾构隧道均可用于地裂缝场地,而当地裂缝位错量s10 cm时,错缝拼装的盾构隧道更适合地裂缝场地。     

软土盾构隧道横断面变形规律及控制限值研究

研究目的:盾构隧道横断面变形对结构安全具有深刻的影响,变形过大会导致隧道接缝张开及渗漏、管片开裂,甚至导致横断面限界不足、隧道结构承载能力散失等,而盾构隧道修复加固代价高昂,为了确定合理的管片修复时机,在保证隧道安全性的同时兼顾经济性,需对隧道横断面变形规律及限值展开研究。研究结论:本文在隧道变形影响因素分析的基础上,得出如下结论:(1)横断面变形的根源在于隧道竖向和水平荷载比的增大;(2)以南京地铁二号线盾构隧道管片结构为背景,采用数值模拟的方法研究了隧道横断面变形规律,建立了不同拼装方式下隧道水平直径变形量与接缝最大张开量、最大螺栓应力、最大混凝土应力之间的关系,进而提出了隧道横断面变形控制限值:对于通缝隧道,水平直径变化量大于123 mm时螺栓达到极限强度值,对于错缝隧道,大于127 mm时螺栓达到极限强度值,此时隧道安全性将受到极大威胁;(3)本研究成果可为隧道横断面变形管控措施及修复时机的确定提供参考。     

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

地铁盾构断面椭圆度检测及数据分析研究

在地铁隧道竣工检测和运营监测中,盾构断面椭圆度是隧道变形和维修整治的关键指标,对其高效准确地测量是一项重要的工作。随着与日俱增的交通需求和施工技术的快速发展,地铁竣工验收、运维监护对断面测量的精度、效率以及信息全面性等方面的要求越来越高。介绍盾构管片椭圆度的多种测量方法和数据处理原理,并对其优劣性进行对比分析。针对盾构管片断面变形规律的复杂性,利用大量实例数据,统计分析管片椭圆的旋转角、横向收敛、椭圆度等参数的关联和分布情况,发现横向收敛与椭圆度有很强的相关性,且椭圆旋转角超过一定数值对常规水平收敛测量也有影响,即横向与水平直径的偏差不容忽视。因此,横向收敛作为管片结构安全评估的重要参数,将椭圆长轴作为收敛基线更能客观反映实际变形情况,该结果可为类似工程提供一定的参考价值。     

地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片碎裂机理研究

针对地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片出现大量裂缝与碎裂掉块现象,以成都地铁某盾构隧道为例,从地层条件、土方开挖与施工顺序、管片拼装质量以及管片开裂掉块情况出发,运用有限元仿真方法,对地表大范围开挖卸载过程中下卧隧道的位移和内力的变化规律进行分析。结果表明:下卧盾构隧道的整体隆起变形呈现水平向直径变小、竖向直径增大的规律;隧道拱顶和拱底的弯矩减小、轴力基本不变,拱顶处局部区域由内侧受拉转变成外侧受拉,拱顶接缝由内侧张开转变为外侧张开、内侧挤压;隧道安全的威胁主要来自隧道拱顶处内侧挤压、隧道竖向椭圆度增加以及接缝两侧管片不平整接触(错台),而非结构内力变化。由此提出采用改性环氧树脂灌注、环氧砂浆填充和粘贴碳纤维对隧道管片的裂缝和破碎处进行修补的方案,修补后管片的承载能力完全满足地铁运营的要求。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

压弯荷载作用下带有定位榫盾构隧道管片接缝的力学特性

依托于国内一地铁盾构隧道,采用有限元软件ABAQUS建立带有定位榫的盾构隧道管片接头三维模型,从管片应力、接缝位移、螺栓内力、定位榫内力与变形四个方面对带有定位榫的盾构隧道管片接头抗弯力学性能进行分析。结果表明：管片压溃区开始于纵缝处并向前后两块夹持管片延伸,最终呈杠铃状;纵缝削弱了其左右两侧0.33 m范围内管片刚度;环缝与纵缝交点错台量和张开量最大;定位榫对螺栓受力状态影响显著,螺栓中部截面角度-7.5°～7.5°区域轴力突然减小,剪力突然增大,两个纵向螺栓轴力分别在弯矩大于300 kN·m和大于600 kN·m时在该区域出现反向现象;定位榫在弯矩作用下内力较小,剪力最大值出现在0°截面处;弯矩越大,定位榫变形量越大,但定位榫不同角度变形量之间的关系基本不受弯矩变化影响。     

盾尾密封失效诱发砂土地基盾构管片环失稳坍塌研究

盾构管片环失稳坍塌案例时有发生,探究其失稳坍塌发生条件对于预防重大安全事故发生具有重要意义。基于Midas GTS建立30环考虑环缝螺栓作用的荷载-结构计算模型,从盾尾管片环地基掏空和盾尾姿态突变2个方面探讨盾构管片环结构失稳破坏过程及失稳坍塌的发生条件。结果表明：盾尾渗漏使盾尾壳体失去了周围地基的有效约束作用,盾尾发生前仰后俯的姿态变化,隧道结构发生横向“横鸭蛋”和纵向挠曲变形,最终导致部分管片环坍塌。盾尾下沉位移是诱发管片环失稳坍塌的主要因素,盾尾下沉导致隧道纵向变形快速发展,快于盾尾渗漏引起管片环周围地基掏空所导致的隧道纵向变形。当盾尾下沉位移大于0.50 m且掏空范围大于5环、盾尾下沉位移大于0.45 m且掏空范围大于10环、盾尾下沉位移大于0.40 m且掏空范围大于11环时,环缝最大张开量超过单根螺栓极限应力时的环缝张开量47.43 mm,部分纵向螺栓被拉断,管片外水土发生喷射,加快管片环外砂土快速流失。当盾尾下沉位移大于0.5 m且掏空范围大于9环时,环缝最大张开量超过65.2 mm,管片环椭圆率超过46.1‰,最终诱发多环管片环失稳坍塌。研究结果可为盾尾渗漏诱发的重大安全...     

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的结构方案及其关键节点受力和变形

针对北京地铁14号线将台车站结构方案存在的不足,提出1种基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的塔柱式结构方案,并建立三维非连续接触模型,研究塔柱式结构关键节点的受力和变形.结果 表明:盾构隧道和车站2边主体结构的施工,对管片纵缝的张开和错台影响显著,但对管片环间错台影响不明显;横通道施工对管片纵缝的张开和错台影响较小,开口环...     

堆载诱发盾构隧道病害及结构安全分析

研究目的:上方堆载是诱发超浅埋地铁盾构隧道过大沉降、过大椭圆度和隧道出现开裂等病害的重要外部因素。本文详细介绍了某盾构隧道在两次堆卸载过程中发生的沉降和出现的隧道病害现象,通过开展隧道病害现状调查,结合隧道沉降和椭圆度监测数据分析,应用三维精细模型分析盾构隧道结构受力及其损伤情况,初步讨论该盾构隧道的结构安全状态。研究结论:(1)盾构隧道沉降规律、椭圆度大小和隧道病害分布规律与隧道上方的两次堆载高度、分布范围以及堆载时间存在显著的相关性;(2)对应于浅覆土3. 7 m部位堆土高达6 m的盾构隧道三维精细仿真分析结果表明,环向连接螺栓受力处于弹性阶段,纵向接缝张开量在预警值1 mm内,拱部和道床下方管片出现部分受拉裂缝,仿真结果与现场调查发现的隧道裂缝分布规律基本相吻合;(3)本研究成果可为类似工程控制隧道上方超载和判断盾构隧道结构安全提供参考,并可为后续即将进行的邻近深大基坑设计及施工控制提供基础资料。     

南京地铁盾构隧道纵横断面结构安全评估研究

南京地铁河西地区盾构隧道长期运营后,因地下水位变化、地面超载、周边基坑土方开挖、列车振动荷载等各种外部因素,造成了隧道纵断面不均匀沉降、横断面变形、管片错台及开裂、管片间渗漏等病害,基于纵断面曲率半径、横断面收敛、防水极限及螺栓强度极限的理论推算,结合与实测数值的对比,判断隧道防水性能及结构状态,为隧道的安全运营维护提供决策依据。     

软土错缝拼装盾构隧道横断面变形控制限值研究

部分软土地区的盾构隧道结构出现过大的变形与严重的病害,这些带病服役的盾构隧道结构仍将长时间服役,且其后续服役期内也将面临各类不利的服役环境。因此,有必要提出盾构隧道结构变形控制限值,在隧道结构变形进一步发展时,为结构的养护运维及时提供判断、决策依据。以南京某3个地铁区间为背景,分别以实测数据分析、三维精细化有限元模拟为手段,探究错缝拼装盾构隧道结构横断面的收敛变形与各类病害之间的相关关系。通过两种手段相互验证与补充发现:收敛变形小于30 mm时,隧道结构的服役性能良好;30～60 mm,出现渗漏水、裂缝,且螺栓开始屈服;60～80 mm,病害加剧,出现管片破损;80～100 mm,首个螺栓到达抗拉极限状态,安全性受到极大威胁;大于100mm,整环结构濒临屈服。据此得到结构性能的衰退特性,进一步提出盾构隧道横断面变形控制限值。     

强刚度低配筋预应力盾构隧道 管片衬砌技术研究

传统盾构隧道管片是由环向和纵向螺栓连接而成的非连续性结构,存在整体性差、抗变形能力弱等缺陷, 造成盾构隧道在施工和运营过程中常出现管片变形过大、接头开裂、螺栓锈蚀、漏水等问题,严重威胁盾构隧道 安全。为解决上述问题,将预应力系统引入盾构管片结构,提出强刚度低配筋预应力盾构隧道技术。通过对盾构 管片施加环向和纵向预应力,可将盾构管片连接为整体,提高盾构隧道的整体性、抗变形能力等性能。通过数 值模拟对比分析预应力管片和传统管片的性能差异,研究表明：采用该技术可提高管片轴力,降低管片弯矩和变 形,同时用钢量较传统管片可降低至少 45%。本技术可有效解决传统盾构隧道存在的问题,并且降低钢筋用量, 可为轨道交通、市政、铁路、公路等行业的绿色低碳新技术研究提供借鉴。     

施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析

研究目的:针对某地铁盾构隧道工程施工期管片衬砌结构大范围开裂及脱落现象,对管片裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度进行统计分析,以期探明多种施工因素影响下管片衬砌结构的裂损机理,从而为隧道维修养护提供参考。研究结论:(1)管片裂损按照所占比例由大到小依次为:拱顶脱落、纵向裂纹、边角部裂损,拱顶脱落及纵向裂纹是施工期影响管片质量的最主要因素,且管片裂损病害的主要致因包括不良千斤顶推力作用(推力过大和推力不均)、管片错台以及管片环间接触面不平整等因素;(2)纵向前裂纹数量更多、波及范围更广、病害程度更深,是威胁隧道结构承载力及耐久性的最主要病害形式;(3)拱顶脱落对隧道结构的纵向受力特性影响较大,但其发生、发展与管片结构榫槽设置有关,通过对管片参数的优化、调整能够有效降低这一管片病害的发生;(4)该研究对于盾构施工控制具有指导意义。     

盾构管片接头破坏类型及 参数敏感性分析

盾构管片接头是整环管片力学性能的薄弱部位,容易发生破坏。通过分析盾构管片接头的受力特性、管片接头的破坏类型以及管片内力和其影响因素之间的关系,再进行人工神经网络敏感性分析,计算得到不同影响因素的相对重要性指数大小。研究结果表明:盾构管片接头的破坏类型为受拉破坏;管片外径(RI=54.4%)对管片最大拉应力影响最大,其次是围岩等级(RI=35.3%),隧道埋深和混凝土强度对管片最大拉应力影响较小,相对重要性指数RI小于6%。