基于时间序列双护盾?TBM?隧道管片结构内力监测分析

以深圳地铁8号线梧沙区间双护盾TBM施工隧道为研究对象,结合现场工程特性,开展管片结构内力现场跟踪监测,实现钢筋应力和混凝土应力施工全阶段监测;根据实测数据时间特性,对监测结果进行时间序列ARIMA建模,分析隧道管片结构受力状态,验证分析模型的可靠性,并对监测内容进行预测。     

宝兰客专魏家嘴黄土隧道受力特性试验研究

以宝兰客运专线上的魏家嘴隧道为工程背景,通过现场监测,研究围岩压力、钢拱架应力、初支与二衬接触压力、二衬钢筋轴力、混凝土应变等参数随时间变化的规律及分布特征,并应用现有可靠度理论和数据对实际工程安全状态进行评估。研究结果表明:围岩压力随时间增长而且增长速度较快,拱顶围岩压力最小,仰拱拱底的围岩应力最大,最后都趋于稳定;钢拱架应力值不稳定,波动较大,但最终趋于稳定;初支与二衬接触压力总体偏小,变化幅度较小,且随着时间增加最后趋于稳定值;二衬钢筋轴力以压力为主,内侧钢筋轴力值变化比较大不稳定,但最后趋于稳定;混凝土应变比较稳定,值普遍较小,但仰拱拱底应变随时间的增加而逐渐增大最后趋于较大应变值。     

基于纤维梁单元的盾构隧道管片配筋优化技术

研究目的:盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,由于忽略钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,以期在确保隧道结构安全的情况下减少钢筋用量,达到节约成本的目的。研究结论:(1)利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过将管片截面划分成微小单元,对截面刚度进行积分,获得了衬砌结构精确的弯曲刚度值;(2)在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,从而在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化;(3)选用某地铁盾构隧道作为算例,考虑管片在施工期和运营期不同的受力特征,在初步配筋基础上比选优化得到最优配筋方案,所得优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度上节省了钢筋用量;(4)本研究成果可为盾构隧道管片配筋设计的优化提供参考。     

盾构隧道联络通道施工中管片纵向应力变化

阐述地铁隧道联络通道施工过程中进行实时监测的重要作用,介绍钢弦式应变计的测试原理及安装方法.研究盾构隧道拆除联络通道洞门管片时的纵向应力变化规律,利用应变电测法,对北京地铁盾构法隧道某联络通道开洞过程进行应力监测,为保证施工部位和周围环境的安全提供可靠的监测数据.对监测数据进行统计,并对钢管片相邻的混凝土管片受力进行对比,分析施工引起的盾构隧道管片的应力变化规律,为工程的顺利进行提供指导.     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道工程施工监测中的应用

通过室内试验对比光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器与电阻应变片采集的变形数据,分析FBG传感器的优势。采用FBG传感技术对某通道工程施工期间基坑的轴力、已建地下通道施工裂缝、施工过程中结构沉降以及盾构管片钢筋应变进行监测。结果表明:以FBG为传感器的静力水准系统可实时自动化采集,大大提高了监测数据的时效性,避免了最大变形的漏检;FBG传感器较传统振弦式钢筋计在测试中表现出更好的稳定性和更高的灵敏度。     

基于光纤传感技术的混凝土支撑轴力监测及数据分析

支撑轴力作为地铁深基坑施工监测的主要监测项目,是考察基坑自身安全状况的重要指标。针对目前混凝土支撑轴力监测值与实际情况差异较大的问题,分析造成混凝土支撑轴力监测值偏大的原因。利用光纤传感技术,在混凝土支撑纵向主筋肋槽上胶粘封装光纤光栅传感器(FBG),通过监测钢筋的应变推算出支撑梁的内力。在现有计算公式的基础上提出考虑混凝土收缩、徐变、应力应变关系非线性影响的轴力修正公式,对监测数据进行修正。以某市地铁深基坑为例,验证了光纤传感轴力监测技术及轴力修正公式的有效性。结果显示,FBG与钢筋计轴力曲线变化趋势一致,FBG考虑了温度补偿,监测值较钢筋计更加稳定;对轴力监测值进行修正,修正后的轴力值约为修正前的1/3,结果更加符合实际。     

盾构隧道管片螺栓烧熔的结构安全分析与加固

介绍地铁区间隧道发生的罕见接触网短路事故:由于短路电流,造成盾构隧道管片螺栓烧熔,产生高温引起管片破损,使止水条变形漏水.为确保运营隧道的安全,对受损管片钢筋及混凝土进行检测及鉴定分析,并对该区间管片受损段进行深入的数值模拟分析,在此基础上完成管片的修复加固设计.     

基于钢筋应力监测值的盾构隧道管片外部荷载正交数值反演分析方法

为研究盾构隧道管片外部荷载的分布特征，提出了一种基于钢筋应力监测值的管片外部荷载正交数值反演分析方法。以钢筋应力监测值为目标函数，该方法通过建立正交数值分析工况较好地反演了管片的外部荷载。研究表明：(1)该方法通过分析所提取的管片外部荷载试验因素，设置相应的试验因素水平，建立正交试验分析工况；基于三维有限元反演分析模型进行迭代计算，求解基于钢筋应力的监测值和计算值的目标函数，通过其均值和极差分析反演获得管片外部荷载最优解。(2)管片外部荷载影响因素包括竖向土压力修正系数、水压力修正系数、侧压力系数和地层抗力系数。(3)三维有限元反演分析模型建模要素包括三维实体管片和一维钢筋，管片接缝采用一维螺栓+二维界面进行模拟，地层采用仅受压曲面弹簧进行模拟。(4)算例最优解为竖向土压力修正系数为1.2、水压力修正系数为1.2、地层抗力系数为70 MPa/m、侧压力系数为0.35。     

地铁盾构隧道内径扩增对结构抗变形能力影响研究

隧道内径扩增是盾构隧道工程的发展趋势,而内径扩增后的管片抗变形能力仍值得探讨。基于南京地铁9号线工程,通过几何相似比为1∶10的模型试验,研究内径由5.5 m扩增至5.8 m对隧道结构抗变形能力影响,并提出内径扩增后的管片厚度优化建议。结果表明,正常加载阶段内,管片的收敛变形、应变和拱顶弯矩近似线性变化且增速较低,而在超载阶段内则均表现为非线性迅速增加;管片内径增大导致其整体变形、局部应变和弯矩均增大,且在超载阶段内尤为明显,使管片处于偏不利的受力状态,深埋条件下管片内径由5.5 m扩增至5.8 m导致其水平、竖向收敛值均增大了14.94%;增大管片厚度可有效控制收敛,尽管导致结构弯矩和偏心距增大,但最大结构拉应变/应力下降,在控制变形方面有较好的效果,也使管片整体处于更安全的受力状态。     

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。     

地铁TBM区间上跨高铁隧道施工关键技术研究

研究目的:本文依托重庆轨道交通5号线TBM区间隧道上跨沪蓉铁路人和场隧道工程,在分析工程重点、难点的基础上,通过对新建地铁隧道的方案优化、施工控制和既有高铁隧道的检测、评估和监测等开展研究,得到经验和成果。研究结论:(1)开展既有高铁隧道检测和评估,以评价方案的可行性和操作性是此类工程得以顺利实施的前提;(2)做好TBM区间隧道上跨高铁隧道施工期间掘进参数的控制、管片背后豆石吹填、回填灌浆及管片底部注浆等措施,是减小对高铁隧道施工影响的保障;(3)对运营高铁隧道选择先进、合理、高效的监测手段进行实时监测,并与铁路相关部门建立有效联动机制,是确保安全的重要和必要手段;(4)本研究成果可为地铁TBM区间隧道上跨高铁隧道施工的影响控制提供借鉴。     

新建与既有地铁隧道正交段施工力学行为研究

研究目的:以深圳地铁3号线盾构隧道下穿1号线既有隧道为工程背景,利用FLAC3D软件进行有限元数值模拟施工三维力学行为,探讨施工过程地层应力的变化幅度及影响范围、结构内力及结构安全性,提出确保新建隧道施工和既有隧道运营安全的措施和建议。研究结论:在施工阶段既有隧道附加应力的分布均为以下洞中心线为中心对称轴成左右对称状态,下洞施工过程中会引起既有隧道的沉降和附加应力的增大,目标面盾构隧道管片衬砌最大内力值的位置都在下洞两侧拱腰管片衬砌,应对上下两洞间的地层及时注浆进行加固。当施工结束时,目标面盾构隧道管片的主应力值达到最大。     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

高速铁路隧道仰拱结构受力现场实测分析

针对高速铁路隧道仰拱受力状态复杂且对高速列车行车安全至关重要的特点,现场测试兰新第二双线福川隧道返工后仰拱混凝土和钢筋的应力,分析仰拱结构中混凝土和钢筋的受力特征及应力变化规律。结果表明:受隧道二衬自重及上部围岩荷载、隧道基底围岩膨胀、轨道道床及列车荷载的作用,返工后仰拱混凝土经历了受压、出现局部拉应力、拉压应力稳定的变化过程;仰拱中混凝土和钢筋的最大拉应力均出现在仰拱中心上部,从仰拱返工到隧道运营的整个过程中,混凝土的最大拉应力为1.9MPa,最大压应力约为8MPa;地下水大量补充后,隧底围岩膨胀释放大量荷载,使得混凝土应力、钢筋应力以及土压应力迅速增大。基于监测结果及地质条件,提出将福川隧道仰拱底鼓分为轻微、中度和严重3种程度,针对每种程度的底鼓给出相应的控制措施。     

运营期地铁盾构隧道管片收敛整治过程变形特征分析

结合某地铁区间隧道,研究了运营期地铁盾构隧道管片收敛整治过程中的管片变形特征及其影响。阐述了该区间隧道变形的测量方法与结果。对运营地铁盾构隧道管片收敛整治微扰动施工过程中产生的隧道变形进行了实测,并选取下行线测试数据进行分析。结果表明:自注浆开始至注浆结束,由下行线监测区间微扰动注浆施工引起的隧道管片形状由压扁状逐渐向撑圆状变化;受水平位移和道床沉降影响的隧道管片范围为10环,受收敛位移影响的隧道管片范围为20环;受注浆施工叠加影响,隧道管片最大的水平位移、水平和竖直收敛及道床沉降均发生在注浆区间中部位置。     

盾构管片接头力学性能数值模拟研究

研究目的:盾构隧道管片接头是管片结构能够稳定承受荷载的重要部分,管片与管片通常采用弯螺栓的连接方式,管片接头的结构构造和功能性相对复杂,使得其力学行为较为复杂,管片接头的力学性能对管片结构的性能具有决定性影响。基于此,针对盾构隧道管片接头力学性能问题,建立三维精细化有限元模型开展数值计算,从管片接头混凝土、螺栓应力及接头力学参数三个方面分析接头弯矩和轴力对管片接头力学性能的影响规律。研究结论:(1)随着弯矩的增大,混凝土第一主应力和第三主应力之间的差距逐步增大,接头接缝面受压区内混凝土处于较为不利的受力状态,尤其是接缝面最外缘区域内,随着弯矩的增大,该区域的范围由接缝面向两侧逐步扩大;(2)弯矩增大导致接缝面张开变形及螺栓Mises应力逐步增大,在相同弯矩作用下,螺栓的第一主应力、Mises应力和水平应力的最大值相等,表明螺栓主要承受水平方向的拉力;(3)正弯矩作用下的接头竖向位移略小于负弯矩作用时的接头竖向位移,说明管片接头正弯变形性能与负弯变形性能存在一定的差距;(4)正弯矩作用下接头变形能力好于负弯矩作用下接头变形能力,在接头转动变形较小时,接头抗弯刚度较大,随着接头转动变形的增大,接头抗弯刚度整体上呈减小的变化趋势;(5)本研究成果可为具有类似管片接头构造的盾构隧道工程提供参考。     

基坑上跨既有盾构隧道坑底土体加固方式探究

基于非线性接触理论,建立三维非连续地铁隧道模型。考虑管片接头之间、管片衬砌与围岩之间、螺栓与螺栓孔之间的相互作用,以及基坑施工全过程的影响,对基底纵向加固、横向抽条加固和格栅加固3种不同形式的加固措施在控制隧道整体竖向变形、管片接头混凝土应力、螺栓内力方面进行对比分析。研究结果表明:格栅加固效果最为理想。以此模型为基础,进一步研究隧道与基底加固区夹角α与隧道隆起变形、接头混凝土应力的关系,得到最优隧道与基底加固区夹角应为2倍土体内摩擦角与45°之间。     

铁路盾构隧道双层衬砌结构耐火性能的数值模拟分析

以某铁路盾构隧道为背景,选用RABT和RWS共2种火源曲线,通过数值模拟方法,分析在不均匀温度场作用下,铁路盾构隧道管片及二衬的应力和变形、管片混凝土的劣化深度、裂缝的产生及发展,并与单层管片衬砌结构进行对比,研究铁路盾构隧道双层衬砌结构的耐火性能。结果表明:在2种火源曲线下,无论是否使用防火涂料,铁路盾构隧道单层衬砌结构都无法达到耐火设计标准,而双层衬砌管片的温度远低于250℃的耐火极限;与单层衬砌相比,施作二衬后,管片温度与应力的变化幅度受火源曲线的影响减小,管片的最大主拉应力和主压应力均减小,衬砌结构的整体刚度增加、整体变形减小;衬砌的劣化深度对隧道半径和埋深不敏感,劣化深度为125~150mm;双层衬砌盾构隧道的防火效果较好,但建议二衬的混凝土设计标号不小于C30,设计厚度不小于150mm。     

南京长江隧道管片结构耐火性分析

研究目的:本文以南京长江隧道管片结构为例,对盾构管片环进行三维分析,研究在火灾工况下,受内部不均匀温度场作用下管片结构的应力重分布情况、钢筋安全性、结构变形、裂缝扩展和承载力等变化情况,特别是研究在叠合水土压力条件下,钢筋的应力状况,判断结构的安全性。研究结论:研究结果表明发生火灾后,依靠防火涂料的保护,在2 h内,钢筋混凝土管片衬砌及其内部的钢筋可以安全地承受住250℃高温。本研究对合理选用防火材料以减少工程造价、减小火灾对结构的损伤、延长火灾后盾构隧道的寿命、灾后隧道修复等方面具有重要意义。     

施工期局部破损对成形管片衬砌结构性能的影响

施工期由于设计不合理、施工控制不当容易导致管片衬砌局部破损,影响成形管片衬砌结构性能。在对施工期管片破损进行致因分析的基础上,以某城市地铁施工期管片破损具体实例为依托,采用构建三维精细化有限元模型的方法,从结构内力、整体位移及破损管片局部应力等方面着手,对正常状态下与破损状态下的管片衬砌结构性能进行对比分析研究,研究提出管片破损导致管片局部刚度弱化,整环管片受力状态发生应力重分布现象,但破损前后管片变形基本无明显变化;管片局部破损导致结构受力出现变化,但其总体量级普遍偏小、结构主体材料仍处于弹性受拉范围内,无须置换管片采取常规加固即可。研究成果对盾构隧道管片破损后的性能评估具有重要指导作用。