盾构隧道通缝拼装管片错台的理论分析

随着盾构法隧道施工技术的发展和众多问题的解决,管片错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益凸显,对工程质量有直接的影响。盾构隧道管片的错台主要归因于隧道管片间的差异性位移。分析以上海轨道交通二号线西延段盾构隧道工程为背景,在对隧道的不同类型的管片详细的受力分析的基础上,运用达朗贝尔原理对管片的位移进行了理论分析。最后,分析得出了不同类型管片的位移计算公式,并推导得出了管片之间的错台公式。该公式描述了管片错台与管片受力、弹性密封垫性质等因素的一个定量关系,为消除盾构隧道管片在推进过程中的错台,确保施工精度,提高工程质量提供了理论依据。     

钢筋锈蚀对上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能影响研究

为研究钢筋锈蚀后上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能退化规律,基于地铁盾构隧道环境条件及空间分布,对管片进行氯盐侵蚀加速钢筋锈蚀试验,并以此为基础进行纵缝接头正弯矩足尺试验。建立纵缝接头三维数值精细化计算模型,并分析钢筋锈蚀影响下地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能退化状况。对足尺试验和数值计算结果进行对比分析,结果表明： 1）在正弯矩作用下,钢筋锈蚀后纵缝接头的变形规律具有明显的阶段性特征。足尺试验中,纵缝接头变形可以划分为3个阶段。数值计算中,可定义6个特征点,纵缝接头变形划分为7个阶段。2）纵缝接头变形前6个阶段,钢筋锈蚀对主要变形特征值无明显影响。至最后一个阶段,随着钢筋锈蚀层厚度的增加,螺栓应变及极限承载力均减小。螺栓应变最大值减幅较大,极限承载力减幅较小。3）钢筋锈蚀后纵缝接头在正弯矩作用下,主要破坏形式为螺栓拉弯、端肋被拉断、外表面边缘混凝土剥离及压碎。     

非均匀注浆盾构隧道管片纵缝错台量三维有限元分析

注浆压力是造成管片纵缝错台的主要原因之一,通过ABAQUS软件建立三维有限元模型对该因素导致管片的纵缝错台量进行计算。模型考虑了土层、注浆层、管片、螺栓之间的互相作用,同时结合实际工程考虑浆液因扩散对管片造成的压力,对管片布置浆液压力荷载。分别计算了4孔对称注浆,注浆压力在0~0.5 MPa范围变化时均匀注浆、非均匀注浆工况下管片纵缝错台量。结果表明： 非均匀注浆对封顶块和邻接块间错台量影响较大,且注浆压力不均匀程度越大该接缝错台量越大,最大错台量达到1.35 mm;对隧道拱腰处接缝错台影响较小,均为0.1 mm左右。拱底管片接缝错台受下部注浆孔注浆作用影响较大,下部注浆孔无注浆时错台量最大值达到0.75 mm。相对于前人研究多重因素下的管片极限错台量10 mm,非均匀注浆因素造成的管片纵缝错台不容忽视。     

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。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

侧压力系数对盾构隧道接头变形及受力影响

为明确侧压力系数对盾构隧道结构接头变形及受力特性的影响规律,通过建立三维精细化数值模型,并与足尺试验进行对比验证,研究正常承载、超载及卸载情况下侧压力系数改变对接缝张开、错台及螺栓受力的敏感程度。研究结果表明：在正常承载阶段,侧压力系数的减小使得隧道结构的受荷形式更加不利,接头更易发生损坏,当侧压力系数从0.7降低至0.65、0.6时,纵缝最大张开量分别增大1.6倍和21.7倍,环缝最大错台量分别增大2.7倍和20.1倍。对比超载及卸载2种情况,卸载情况下隧道结构的纵缝张开量及环缝错台量对侧压力系数变化更加敏感。在“临界失稳状态”和“极限破坏状态”下,不同侧压力系数下的螺栓应力基本相同,表明螺栓应力水平主要由其自身属性决定,侧压力系数的减小,仅加快了螺栓屈服进程,对螺栓最终应力水平无显著影响。     

纯压弯受力下大断面盾构隧道管片接头抗弯足尺试验研究

针对管片接头抗弯试验中接头是否处于纯压弯受力状态影响试验结果准确性问题,设计一套可使接头具有较大转动角度、保证其处于纯压弯受力状态的抗弯加载装置,并开展一系列不同轴力和弯矩下接头抗弯性能试验,试验中采用差动式位移计和应变传感器等对接头变形和螺栓应变进行测量。基于试验结果得出： 1）接头处于纯压弯受力状态时,正负弯矩下管片接头竖向位移、张开量、闭合量、转角、螺栓应力随弯矩变化的曲线较为平顺; 2）正弯矩下接头张开高度随弯矩变化可分为2个变化阶段,而负弯矩下受接缝面复杂变形接触关系影响,在上述2阶段变化规律之间出现了明显的“平台段”; 3）接头采用斜螺栓连接时,[JP2]正弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响大于负弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响,且正负弯矩下抗弯性能的差异随着轴力的增大而减小。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

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。     

盾构隧道管片接缝密封垫防水性能及受施工荷载影响研究

为研究盾构隧道接缝密封垫防水性能及施工荷载对其影响,依托某地铁盾构隧道工程自主研制密封垫防水性能足尺试验装置,设计并开展相应的足尺试验。在此基础上,建立密封垫数值分析模型并结合试验结果验证了其可靠性。借助数值分析得到了不同错台量条件下的密封垫防水性能变化规律。最终,构建了盾构隧道三维荷载-结构模型,综合考虑注浆压力、千斤顶推力和盾尾刷反力等施工荷载,探究了接缝变形特征及其对密封垫防水性能的影响情况。研究结果表明:极限状态下工程原设计密封垫无法满足设计水压要求;接缝错台量增大将导致密封垫偏心受压越发严重,可能引起欠压侧支腿翘起;相同施工荷载下,最大环缝变形为最大纵缝变形的1.5~2.0倍,环缝密封垫防水性能降低程度更大;确定密封垫极限状态时有必要考虑施工荷载造成的接缝变形。所提出的足尺试验装置能够很好地实现试验目的,相应方法与结果可为后续盾构隧道接缝密封垫防水性能足尺试验研究提供参考和指导。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

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。     

纵向力对带榫管片环缝剪切破坏机制影响研究

为明确带榫管片环缝剪切受力机制及剪切受力过程中纵向力对管片结构环间接缝抗剪性能的影响,采用苏通GIL(Gas Isolated Line)综合管廊工程所用带有分布式凹凸榫的原型管片衬砌,通过局部原型试验,对带榫管片结构在考虑不同纵向力作用下的受荷过程中环间螺栓应力、环间分布式凹凸榫表面应力、环缝张开量进行了研究.结果表...     

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。     

盾构隧道施工期管片上浮机理数值模拟研究

近年来,随着各类盾构隧道的大规模兴建,管片上浮始终是施工中迫切需要解决的一大难题,为此,国内外许多学者对管片上浮机理及其处置办法进行了深入研究,形成了不少科研成果,在生产实践中也得到了良好的应用。该文借助数值分析手段,依托衡阳二环东路合江套湘江隧道工程,对盾构隧道施工期渗流场、地应力场、隧道埋深、地下水位、泥水和注浆压力等因素进行分析,明确了各因素对隧道施工的影响程度和作用机理。     

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。     

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。     

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。     

盾构管片接头力学行为的有限元分析

考虑到盾构管片接头受力复杂,采用三维有限元法,利用大型通用软件ADINA建立管片的精细三维有限元数值模型,分析了接头变形、管片应力变化及不同偏心荷载下接头的刚度和强度演变规律。有限元分析结果表明,接头的存在增大了管片结构的变形,接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大;接头的存在不仅降低了管片环的刚度,也降低了管片环的承载力。