两种计算方法在盾构隧道管片设计中的比较研究

针对目前盾构隧道管片设计过程中的两种计算方法,以有限元为计算工具,对其计算结果进行了比较。结果表明:当选择了适当的折减系数时修正惯用设计法可以很好的描述接头的受力机理,能在一定程度上指导设计。但是这个折减系数的选择有相当的难度。而采用考虑接头刚度的精确计算法则适当地考虑了接头的位置、接头的刚度,能合理地指导隧道管片的设计。     

南京长江隧道原型管片结构破坏试验研究

为探明南京长江隧道管片衬砌结构的破坏特征,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统",对其原型管片衬砌结构进行了试验研究.将结构承受的水压力与土压力分离加载,并对大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏特征进行了探讨.研究结果表明:南京长江隧道管片衬砌的破坏主要以弯曲开裂为主;结构裂缝扩展往往伴随着结构变形和纵缝张开量的显著发展;不同拼装方式的结构变形、裂缝扩展与纵缝张开量存在较大差异,与通缝拼装管片结构相比,错缝拼装管片结构变形、纵缝张开量较小,而裂缝扩展较快.     

钣金型液力变矩器外特性计算方法

对原有试验台架的信号处理和液压系统进行改进, 进行了YJH315钣金型液力变矩器的牵引试验。应用三维流场数值计算方法, 提出了YJH315钣金型液力变矩器外特性的动量矩方程、力矩方程与性能参数计算方法。分别通过MATLAB仿真软件和实测试验得到了不同转速比下的效率、变矩系数和公称力矩, 并将仿真结果与试验结果进行对比分析。分析结果表明: 当转速比在0~0.9时, 试验工况下的最大效率为0.82, 仿真工况下的最大效率为0.79, 效率的最大误差约为2%;试验工况下的最大变矩系数为2.41, 仿真工况下的最大变矩系数为2.29, 变矩系数的最大误差约为3%;试验工况下的最大公称力矩为28.7N·m, 仿真工况下的最大公称力矩为27.3N·m, 公称力矩的最大误差约为3%。3个指标的误差均在可接受范围之内, 说明提出的钣金型液力变矩器外特性计算方法可行。     

邻近双线盾构隧道的深基坑施工分析

以上海某邻近双线盾构隧道的基坑工程为背景,运用有限元方法计算,模拟基坑开挖的不同阶段,分析了不同工况下基坑变形、受力及对盾构隧道的影响,并对不同施工方式进行了对比分析.分析结果表明：施工内部框架结构有利于控制盾构隧道上浮和受力;支撑的拆除对坑底及下方隧道的变形和受力影响较小.研究结论可为类似工程提供借鉴与参考.     

公路隧道二次衬砌厚度的优化

应用工程类比法对榆树沟隧道二次衬砌厚度进行了优化设计, 选取了Ⅱ类围岩浅埋、Ⅲ类围岩及Ⅳ类围岩三种不同的复合式衬砌结构类型, 对隧道开挖后围岩和初期支护的力学状态采用FLAC软件进行了模拟计算, 对二次衬砌的力学状态采用ANSYS软件进行了分析。结果表明三种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小, 最大轴力为165 kN, 最大弯矩为-15.97 kN.m, 且都发生在Ⅱ类浅埋断面, 二次衬砌的安全系数较大; 衬砌周边位移最大的是Ⅱ类围岩浅埋, 其洞周位移最大值(18 mm) 发生在拱脚处, 边墙围岩收敛较小, 且围岩越好, 周边位移越小; 现场监控量测的净空收敛数值均远小于允许收敛值, 二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值。可见, 二次衬砌工作状态良好, 安全储备较大, 减薄二次衬砌厚度的隧道结构是安全的。     

基于球孔扩张的盾构隧道壁后注浆压密模型

为研究盾构隧道壁后注浆的压密效应, 假设压密阶段浆体在土体中呈半球形扩张。应用弹塑性理论对球形浆体的扩张过程进行了理论推导, 建立了盾构隧道壁后注浆压密模型, 计算了压密注浆体的扩张率、土体塑性区扩张率以及注浆对管片产生的压力, 分析了注浆压力和土体的弹性模量、粘聚力、内摩擦角等特性参数对管片压力荷载的影响。分析结果表明: 注浆对管片的压力随着注浆压力和土体泊松比的增大而增大, 随着土体弹性模量、粘聚力和内摩擦角的增大而减小; 注浆对单位面积管片产生的压力不随注浆压力和土体特性的改变而改变; 注浆对管片产生的压应力随着远离注浆孔而减小。     

基于灰色突变理论的隧道衬砌裂缝诊断模型

为了利用有限的监测数据评判隧道衬砌裂缝稳定性, 应用小波变换对衬砌裂缝监测数据进行分析, 去除因环境变化与测试误差而产生的高频部分, 保留因围岩压力变化而产生的低频部分, 实现了裂缝时效变形的分解。应用灰色理论建立了衬砌裂缝时效变形的GM(1, 1)灰色预测模型, 实现了利用前期监测数据预测衬砌裂缝后期发展。应用尖点突变模型的平衡条件建立了衬砌裂缝稳定性判据。构建了基于灰色突变理论的隧道衬砌裂缝诊断模型, 并对2条典型衬砌裂缝进行了分析。分析结果表明: 2条裂缝稳定性判据大于0, 均未达到失稳条件; 其实测宽度变化量小于0.2mm, 宽度变化速率小于0.002mm·d-1, 处于稳定状态, 因此, 该诊断模型可准确预测衬砌裂缝发展趋势。     

土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验设计与应用

为提高对盾构施工相关问题试验研究的针对性,提出了土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验方法,并设计了模型试验相关装置;为避免多个关键影响因素相互影响,将盾构隧道施工过程中开挖掘进、管片拼装、同步注浆等关键操作环节分开依次进行模拟;为降低刀盘开口率试验研究相关成本,研制了几何相似比为1∶10且刀盘开口率可调的模型盾构机;为确保模型盾构隧道的纵、横向刚度相似性,设计了几何相似比为1∶10且纵、横向刚度可分别按需设置的模型盾构隧道,其管片环采用修正匀质圆环模型,管片环之间采用垫有压缩弹簧的螺栓连接;为方便试验并节省成本,模型盾构隧道采用外部拼装后再放入钢套筒内,以避免在狭小空间内进行管片拼装,且不加工管片拼装机;为实现注浆压力与注浆量的精准控制,设计了适用于室内模型试验的恒压同步注浆装置;利用模型盾构机开展了掘进施工过程中渣土输出控制对地表沉降影响的试验研究。分析结果表明：单位掘进距离的渣土输出量直接关系到盾构掘进过程中的超挖控制,从而影响地表沉降,当出土率小于1时,出土率变化对地表沉降影响较小,当出土率大于1时,出土率增大将显著加大地表沉降。为了最大程度地发挥整个模型试验的科研价值,在盾构隧道完成施工后,建议继续开展盾构隧道响应研究的相关模型试验。     

盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

利用有限元计算软件ABAQUS建立了环向复合管片与环向斜螺栓接头的三维实体模型; 考虑复合管片材料的非线性, 采用弹塑性本构模型, 分析了环向斜螺栓接头在常温下的力学特性; 根据HC升温曲线, 分析了接头模型的传热特性, 研究了复合管片衬砌和环向斜螺栓接头在火灾下的温度分布规律。分析结果表明: 采用高强螺栓能够有效减小接头张开量, 增大接头刚度; 在采用高强螺栓的情况下, 斜螺栓最大轴应力易在初始阶段达到屈服, 屈服后接头弯矩和轴力的增大对斜螺栓的应力影响并不大, 但对斜螺栓变形影响较大, 当接头负弯矩从7 kN·m增加到122 kN·m, 接头轴力从368kN增加到734 kN时, 斜螺栓最大应变增加1.6倍, 当接头正弯矩从53 kN·m增加到182 kN·m, 接头轴力从903kN增加到1 056 kN时, 斜螺栓最大应变增加5.9倍; 常温下接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布, 除接缝外其他部位斜螺栓的轴应力基本相等, 约为400MPa, 接缝处轴应力绝对值最大值可达700 MPa; 火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的温度最高, 80 min时即可达到1 000 ℃, 接缝处混凝土在100min后达到稳定温度, 螺母处混凝土在150 min后达到稳定温度, 稳定温度均为1 000 ℃左右。     

南湖路湘江隧道盾构施工影响因素及工程措施

盾构是穿越江河水下隧道的主要工程方法之一．针对南湖路湘江隧道盾构段围岩中岩溶具有成岩差、易软化、崩解以及石英质和砾石含量高特性的红层软岩、上软下硬的浅覆土等特征,分析了复杂地质条件下盾构施工的风险,提出了应对措施,其结果可为南湖路湘江隧道的设计和施工提供指导性建议．     

隧道衬砌背后脱空识别的改进瞬变电磁雷达法

针对衬砌背后脱空检测图像特征不显著、脱空定位及范围识别准确性较低等技术难题,以瞬变电磁理论为基础,结合隧道衬砌结构检测需求,提出了隧道衬砌背后脱空识别的改进瞬变电磁雷达法;通过改善发射系统关断时间增大探测深度;利用接收线圈等效电路及弱信号增强算法提升成像分辨率;在剔除强干扰信号并增大发射磁矩基础上,采用圆滑滤波处理及多周期叠加采样抑制数据噪声;基于视电阻率差异建立衬砌结构相关介质的TER图谱,通过不同类型混凝土构件的多种组合进行室内衬砌缺陷模拟检测试验,初步评估改进TER法检测衬砌背后脱空的可行性及其检测精度;在北京市地铁6号线郝北隧道进行了现场实际检测与应用,综合对比了TER检测图像与管片钻芯取样结果,以验证改进TER法检测衬砌背后脱空的有效性。研究结果表明：改进TER法具有较高的成像分辨率与较好的缺陷辨识效果,可直观清晰地反映衬砌背后脱空缺陷的实际特征,能有效识别衬砌厚度、钢筋埋深、衬砌背后脱空及衬砌内部空洞的具体位置及范围;可定量化描述10~20 cm的脱空缺陷,并对小于10 cm的脱空缺陷进行定位及脱空量级判定,对于衬砌背后深度达30 cm以上目标体的识别结果具有较好的参考性;改进TER法受金属介质干扰较小,在大范围连续性检测中,可对脱空范围大于30 cm的衬砌背后脱空缺陷进行精确定位。     

公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响

针对Ⅲ级和Ⅳ级围岩两种不同的支护形式, 建立衬砌厚度不足计算模型。在有无病害条件下, 比较隧道衬砌各位置的内力和安全系数, 并根据衬砌厚度不足病害程度和宽度, 采用数值计算的方法, 分析公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性的影响。分析结果表明: 隧道衬砌边墙、拱腰和拱顶的弯矩、剪力和轴力都比较大, 属于病害发生的敏感部位; 隧道衬砌出现厚度不足病害时, 安全系数显著减小; 衬砌安全系数随着病害程度的加剧, 左边墙呈线性减小, 而拱腰和拱顶呈曲线形减小; 衬砌安全系数随着病害宽度的增加, 先是显著减小, 最后又有小幅增长, 但整体呈减小趋势; 随着病害区域从边墙向拱顶转移, 衬砌受影响的范围逐渐增大。     

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。