大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构承载性能与变形控制指标

为确定破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构变形控制指标,考虑顶部堆载、侧向卸载2种常见荷载工况,开展了错缝拼装盾构隧道承载性能演化规律研究。首先,基于接头刚度等效原则提出了不设传力衬垫的管片接头简化模拟方法,通过与相关文献实测数据对比螺栓轴力计算结果,验证了该方法具有一定合理性和适用性;其次,基于接头简化模拟和荷载结构法进行了隧道结构承载性能数值模拟,分析了管片承载状态随断面变形的发展规律;最后,根据管片承载状态临界点,提出盾构隧道结构安全等级划分方法和断面变形控制指标。研究结果表明:2种工况下管片承载构件屈服顺序存在差异,顶部堆载工况下屈服顺序为拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰内侧混凝土,而侧向卸载工况下为拱顶、拱底纵缝螺栓,拱腰外侧钢筋,拱顶、拱底内侧钢筋,拱腰螺栓;考虑隧道耐久性、承载安全性以及结构加固时机,堆载工况下断面变形椭圆度控制值分别为0.712%、1.694%、2.156%,卸载工况下分别为0.876%、1.873%、2.757%。     

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。     

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。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。     

盾构隧道管片衬砌拼装效应局部原型结构加载试验

针对盾构隧道块体间由于拼装咬合引起局部结构刚度分布不均匀,从而导致结构受力与变形不同于均质连续管状结构体的现象,采用自主研发的局部原型结构加载试验系统装置,分别选取盾构隧道管片衬砌结构中的原型单体管片与考虑前后环错缝拼装组合的原型管片衬砌局部构件进行加载试验,对比分析了其受力特征的差异,并探讨了不同轴压比、偏心距以及螺栓初始预紧力下管片结构受拼装效应的影响规律。研究结果表明:单体管片工况下,结构受两侧支座的影响较大,沿结构环向其内力、变形分布均极不均匀,沿幅宽方向,内力呈对称分布,中部大、两侧小,竖向位移基本保持不变;考虑前后环错缝拼装组合工况下,结构受两侧支座的影响较小,沿结构环向,其内力、变形对称分布,较单体管片更为均匀,沿幅宽方向,内力、变形的变化规律与单体管片基本一致;偏心距对结构弯矩的影响大于轴力,不同偏心距下,轴力调整系数α在-0.04~0.02之间,弯矩调整系数β在0.17~48之间;螺栓初始预紧力仅对构件纵缝截面的轴力影响较大,对α和β的影响较小;拼装效应能显著降低结构受两侧支座的影响,对管片的受力变形起到较为明显的传递和重分配作用,使其对称均匀化。     

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。     

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。     

初始损伤条件下地铁管片力学特性试验研究

为了解初始损伤对盾构隧道衬砌管片力学特性的影响,基于6组具有初始损伤的盾构隧道衬砌管片进行足尺试验研究。在考虑初始损伤位置以及初始损伤位置处钢筋有效面积减小等因素的情况下,对试件破坏过程、破坏模式、极限承载力、变形规律以及初始裂缝扩展机制进行了研究和分析。试验结果表明:初始损伤的存在对盾构隧道衬砌管片的极限承载能力影响不大,但对其正常使用功能影响很大;初始损伤位置处钢筋有效面积减小不仅影响盾构隧道衬砌管片的正常使用功能,更大大降低了其极限承载能力;增加轴力会削弱初始损伤对盾构隧道衬砌管片的不利影响;初始损伤在加载点比在跨中对盾构隧道衬砌管片更不利;初始裂缝基本沿径向或偏向跨中方向直线扩展。相关研究结果可为建立服役期间盾构隧道衬砌结构健康评估与预知理论、以及进一步开展损伤缺陷盾构隧道数值模拟和极限承载力分析提供借鉴和参考。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

管片破拆对盾构隧道衬砌受力特性的影响研究

为了解联络通道施工期间管片衬砌结构易裂损破坏的形成原因,基于3环错缝拼装数值模型,就管片破拆对盾构隧道衬砌整环承载性能的影响进行研究。研究结果表明:1)联络通道开孔将导致盾构隧道衬砌整环极限承载能力和整环屈服承载力分别下降23.7%、25%,整环竖向和水平方向承载割线刚度分别下降21%、33%;2)管片开孔两侧的管片接头和开孔环拱顶等位置,管片接头以及开孔环上方管片中部和未开孔一侧拱腰处管片等是关键截面,最易开裂和破坏;3)管片开孔后,在同样大小外荷载作用下,关键截面位置管片的弯矩被大幅放大。     

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。     

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。     

南京长江隧道管片衬砌结构原型加载试验

以南京长江隧道工程为依托,采用自主研发的“多功能盾构隧道结构体试验系统”装置,实现了对盾构隧道原型管片衬砌结构承受水压力与土压力的分离加载模拟,对南京长江隧道原型管片衬砌结构分别在通缝和错缝拼装方式下进行了原型加载试验.研究了不同荷载条件对管片结构力学特征的影响,并对不同拼装方式下管片结构的内力分布特点及错缝拼装方式下目标管片内力沿幅宽的分布规律进行了探讨.研究结果表明:在弹性状态下和结构开裂后,通缝和错缝拼装管片结构力学特征变化显著,错缝结构对于内力、形变及纵缝张开量等发生突变的控制更有效.     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。     

桩基施工及承载阶段对运营盾构隧道的影响

针对合肥某立交桥上跨既有盾构隧道工程,通过有限元数值模拟方法对单桩邻近隧道施工进行参数敏感性分析,并进一步研究立交桥单桥墩桩基础与双桥墩桩基础在施工及承载阶段对盾构隧道管片变形与内力的影响;通过对比分析2种立交桥跨越既有盾构隧道方式下的地表沉降、盾构隧道管片及铁轨变形,探讨2种跨越方式在工程应用中的优劣。研究结果表明： 1）单桩对邻近隧道结构的影响,随着桩长、桩径的增加而增大;随着桩隧净间距的增大而近似呈指数函数形式降低。2）当桩长与隧道埋深比值大于1时,增加桩长是减小隧道结构变形的有效途径。3）单桥墩桩基础施工阶段对盾构隧道的影响效应小于承载阶段,管片位移以沉降为主。承载阶段随着荷载的增加,横向轴力与弯矩在靠桩一侧拱腰位置变化最大,纵向轴力与弯矩在拱顶位置变化最大。4）双桥墩桩基施工及承受上部荷载时,较单桥墩而言同一管片处的沉降增大0.3 mm,水平向位移减小0.56 mm。经比较,中间无桩的跨越隧道方式更优。     

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。     

高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验

为了选择适用于软土地区深埋排水盾构隧道管片接头结构形式,针对新型高承载力盾构隧道管片接头预埋件结构,开展了1∶1结构抗拉性能试验,研究管片接头预埋件在不同荷载工况下,锚筋的应力分布和传递、接头板的变形和位移、螺栓的应力分布、管片混凝土裂缝的分布扩展情况和结构最终破坏模式等力学特征。研究结果表明:锚筋应力随着与预埋件连接处距离的增加逐步减小,且传递曲线均呈现出先陡后缓的趋势;接头预埋件锚板和锚筋的存在,使得接头的整体刚度得到了增强,同时提高了结构的承载能力;结构最终破坏模式是接头预埋件与锚筋的连接位置发生断裂破坏,且结构破坏时预埋件整体有较大的翘曲变形,因此可以考虑提高预埋件与锚筋的连接性能并相应增加预埋件的刚度以进一步改善结构的整体性能。     

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。     

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。