大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。研究表明:我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展;研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道双层衬砌结构力学特征研究

随着我国盾构隧道数量的日益增多,越来越多的穿江越洋隧道开始逐步使用双层衬砌。采用经典梁-弹簧理论,考虑管片接头的非线性特征,建立盾构隧道双层衬砌结构抗剪压计算模型,分别对不同二次衬砌弹性模量、不同水压及地层抗力系数条件下的盾构隧道双层衬砌结构的受力及变形特性进行分析,获得上述因素对盾构隧道双层衬砌结构横向力学特性的影响规律。研究结果表明:二次衬砌弹性模量对双层衬砌结构的受力影响相对较小,在一定范围内水压的增大可以在一定程度上改善双层衬砌结构的受力状态,当地层抗力系数小于30 MPa/m时,管片和二次结构受力受地层影响较大,结构受力及变形处于不利状态。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道管片环极限变形特征研究

管片环极限变形特征是盾构隧道结构设计的关键控制指标和结构安全监测的重要依据。已有的接头弯曲加载试验表明,当弯矩较大时,接头变形具有明显的非线性特征。针对上海地铁区间盾构隧道管片环内的无衬垫式接头,建立其力学模型并推导其变形解析式,得到一定轴压作用下接头变形非线性特征的定量化描述,将其与试验数据对比,验证接头力学模型和变形解析式的工程适用性。基于非线性弹簧单元建立管片环梁-非线性弹簧模型,采用有限元方法对考虑外荷载及接头自身性能等因素不确定性的各工况管片环极限变形特征进行计算分析,根据分析结果提出对盾构隧道管片环结构设计及运营期结构安全监测提出建议。     

郑州地铁盾构隧道管片衬砌不同计算模型比较

针对郑州地铁某盾构区间隧道,在隧道覆土厚度、地层、地下水位和其他条件相同情况下,采用均质圆环法和梁-弹簧模型两种方法对管片衬砌的内力和变形进行了计算比较。均质圆环法弯矩较大,相应变形和轴力较小。均质圆环法与圆环刚度有效系数相关,有效系数越大,弯矩越大,变形和内力越小。梁-弹簧模型不仅考虑环向接头刚度还考虑了纵向接头刚度(径向和切向),与实际情况较为接近。     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

盾构隧道管片计算模型参数的敏感性分析

目前国内盾构隧道设计没有统一的国家规范,因而各设计单位主要参考国际隧道协会推荐的设计方法及日本等国规范、并结合设计者自己的工程经验进行设计。由于大和超大直径盾构隧道管片结构试验很少,管片设计参数取值只能参考日本规范和国内通过试验获取的有限资料。这些资料提供的参数取值范围较大,因而管片设计参数的取值具有一定的随意性。结合国内常用的管片结构计算方法——惯用计算法和梁-弹簧模型法参数取值进行分析,提出设计中应重点关注的参数取值建议。结论为:管片结构的抗弯刚度及纵向接头的抗剪刚度对管片内力影响显著而复杂,匀质圆环模型中的刚度折减系数及错缝拼装中的弯矩提高系数对计算管片变形和内力的准确性影响很大。     

地铁盾构隧道管片设计参数的敏感性分析

以苏州地铁盾构隧道为计算原型,对设计中的关键参数进行敏感性分析,讨论设计方法、地质参数及结构参数对管片设计的影响,以及管片在水土分算与水土合算条件下受力性能的差异,并对苏州地铁盾构管片设计提出合理建议。     

盾构隧道通用管片设计及应用

分析了管片设计的各要素,结合具体工程实际,确定了我国目前多数地铁盾构法隧道采用的6 m外径、5.4 m内径情况时的通用管片的各参数,并与原管片设计进行对比,不管是在技术方面,还是在经济方面都有很大的优越性,并对其在应用中的优缺点进行了探讨,以便今后推广应用.     

盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度问题初步研究

研究目的:盾构隧道在穿越地质条件或者地表建筑物差异大的路段时,管片衬砌结构在纵向将产生较大的内力和变形,故在盾构隧道管片衬砌结构设计中,必须考虑其纵向力学问题. 研究结论:(1) 盾构隧道纵向等效刚度系数计算公式为:ηX=kxlkxl M1G1ls(1-1n)(X表示拉、剪切和弯曲).(2) 通过进行简化有限元计算,得出单线地铁区间盾构隧道纵向抗弯等效刚度系数近似取为:ηM=0.05.     

大型水下盾构隧道管片衬砌结构配筋问题研究

以大型水下盾构隧道工程为背景,首先采用壳-弹簧计算模型分析运营期间管片衬砌结构的三维力学分布特征,并用相似模型试验对结论做初步验证,提出主筋优化分布的配筋措施,然后采用三维管片组合体模型分析施工期间在千斤顶推力作用下的管片内部应力分布规律,并与施工现场调查统计的管片裂缝进行印证,提出管片局部配筋措施.研究表明,大幅宽条件下,幅宽边缘部位的最大弯矩值明显大于幅宽中央,建议主筋沿幅宽采用中疏边密的阶梯状分布配筋率;施工期间的管片应力集中主要发生在靠近管片环缝边缘部位,建议将此区域设置成刚性较大的钢筋整体梁式骨架;千斤顶推力作用下,管片平均应力集中部位呈八字形分布而剪切应力集中部位呈剪刀状,建议按照应力走向配置局部加强钢筋.研究结论可为分析管片结构安全和合理优化管片结构配筋提供有实用价值的参考.     

大直径海底盾构隧道施工过程中衬砌管片受力分析

[目的]为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性,需对其衬砌管片的受力进行分析.[方法]以大连地铁5号线大连站站—梭鱼湾南站区间海底盾构隧道衬砌管片为研究对象,利用MIDAS GTS有限元分析软件对该盾构隧道结构和周围岩体进行建模,得出施工一段时间后衬砌管片的受力情况,并与现场监测数据、理论计算数据进行对比分析.[结果及结论]衬砌管片所受土压力随施工推进基本稳定;同一监测断面不同测试点土压力存在一定差异,拱顶和拱底位置处受力较大,因此在隧道施工期以及未来运营期,拱顶和拱底均为着重关注部位,可通过一定物理手段对其加强处理;现场监测数据和数值模拟数据显示,衬砌管片内力结果较为接近,在一定简化条件下,数值模型能够较为真实地反映衬砌管片的实际受力情况.     

基于组合模型的盾构管片沟槽断面尺寸优化研究

针对目前采用经验类比法开展沟槽断面优化时,需要进行大量数值模拟及室内试验导致设计效率较低的问题,以南京和燕路长江隧道Ⅱ型沟槽断面为例,综合考虑沟槽断面的斜率、深度、宽度对密封垫防水性能的影响,结合数值模拟和代理模型技术,设计并实现了一种高效的沟槽断面优化方案。该方案采用最优拉丁超立方实验设计方法进行实验方案设计,利用有限元软件建立三维计算模型,对管片接缝密封垫的拼装压缩过程进行数值模拟,得到不同实验参数下的密封垫间有效泄漏率。提出基于克里金模型、响应面模型以及支持向量机回归模型的组合预测模型,使用组合模型对密封垫间有效泄漏率进行预测,并在此基础上以沟槽断面的斜率、深度、宽度为优化变量,以密封垫间有效泄漏率为目标变量,利用遗传算法求解得到最优的斜率、深度、宽度组合参数。研究结果表明：使用组合代理模型实现了断面形状到密封垫间有效泄漏率的快速准确计算,节约了数值模拟计算的时间,极大提高了优化效率;采用优化后的沟槽断面,管片接缝处的防水性能较优化前有明显提升,验证了提出方法的有效性;与单一预测模型相比,组合预测模型的预测结果更准确,误差更低,预测效果更好;提出的模型及方法可为密封垫断面和沟槽断面的优化设计提供参考和借鉴。     

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。     

大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

以扬州瘦西湖隧道为例,介绍了盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件、典型断面管片布置形式,以及管片结构受力监测方案。共设计了4个监测断面,对管片的力学特性进行监测。通过实测结果分析和数值模拟分析,得出的主要结论是:柔性土压力计和光栅传感器能够较好地应用于管片的现场监测工作,可以得到较为全面准确的隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载,同时注浆压力控制不当会导致结构荷载的分布不均匀(在设计时应重点关注);注浆阶段(同步注浆到注浆效应消散),衬砌结构内力处于波动状态,与各同步注浆孔压力分布不均有关,稳定后的结构轴力大致为注浆作用下最大值的60%~65%,注浆作用对结构轴力影响较大。     

中小直径盾构隧道管片衬砌结构纵向抗弯刚度特性研究

对于城市轨道交通以及市政管道而言,中小直径盾构隧道具有天然的优势,近年来取得了快速发展。然而,随着地质条件及周围环境日趋复杂,其纵向差异沉降对其结构安全产生了显著影响。为研究中小直径盾构隧道的纵向抗弯刚度特性,采用相似模型试验,考虑环向与纵向接头的影响,开展盾构隧道结构纵向抗弯性能试验。对隧道竖向变形、抗弯刚度有效率进行分析,提出适用于确定中小直径盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的经验修正公式,并给出关键参数的取值范围。研究结果表明：（1）盾构隧道管片衬砌结构在受荷后刚度会发生变化,刚度的变化实质为受荷后管片衬砌结构的变形引起;（2）直径为4.2 m和6.0 m的盾构隧道结构纵向抗弯刚度有效率合理取值范围分别为0.194~0.352和0.162~0.311;（3）引入纵向抗弯刚度修正系数对徐氏模型理论公式进行修正,经试验结果确定直径为4.2 m和6.0 m的修正系数范围分别为0.7~1.4和0.8~1.6。     

侧压力系数对盾构隧道管片衬砌受力及破坏形态的影响研究

随着盾构隧道建设规模的增大,地层复杂性的特点越趋明显,侧压力系数作为一个重要的表征参数,直接决定着隧道衬砌结构荷载分布及量值,对隧道结构的受荷情况及长期力学特性影响显著。以狮子洋隧道工程为依托,采用相似模型试验的方法,对比分析了侧压力系数对管片衬砌结构力学特性及破坏模式的影响规律。研究结果表明:在一定范围内,随侧压力系数的增大,衬砌结构的承载能力得到了提高,结构达到临界失稳状态时的最大位移值减小,结构从局部出现宏观裂纹到发生整体失稳的过程变长;当侧压力系数较小时,以纵向裂纹为主,大部分集中在左、右拱腰位置,侧压力系数较大时,结构出现横向裂纹并呈逐渐增多的态势,裂纹逐渐向拱顶、拱底部位发展。     

盾构隧道管片设计若干问题研究与探讨

研究目的:目前盾构隧道管片设计的随意性较大,计算方法缺少相应的理论支撑,计算模型的选取无法体现管片的实际受力情况,无法体现地层与衬砌结构的相互作用,计算参数的取值与实际情况出入较大等。为了进一步加强管片结构设计的准确性与可靠性,对管片设计中涉及的一些主要问题进行研究。研究结论:通过分析得出,对于管片结构,应该采用梁—弹簧模型进行受力分析;管片结构上受到的水压力应按径向加载,隧道拱底反力应取浮力与竖向荷载的较大值,管片与地层的相互作用应通过管片四周设置的径向与切向土弹簧来实现;采用地层应力释放系数来模拟盾构施工对周围地层的扰动效应,得出应利用浆液的最小屈服强度控制盾尾后方隧道的上浮趋势。     

大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究

对于大跨度小净距隧道而言,合理扁平率及双洞间距的设计对于节约成本,提高隧道线形规划具有至关重要的作用,因此,优化大跨度小净距隧道的扁平率及其间距是隧道设计施工面临的关键问题。以某双洞8车道隧道施工为研究背景,通过数值模拟及理论分析,对断面优化及其设计参数进行了深入研究。研究结果表明:随着高宽比的增加,拱顶位移逐渐减少,水平收敛逐渐增大,在高宽比为2.0时达到理想状态,这个时候的拱顶位移和水平收敛基本相同,此时断面有利于开挖。当高宽比取理想高宽比2.0时,这时应力较均匀,是开挖的理想断面,同时考虑行车通行的建筑界限,取高宽比为0.6333是合理的。隧洞埋深对塑性半径和周边位移的影响极大;弹性范围内的支护阻力与隧洞变形成正比;塑性半径随着围岩强度的增加而减小。     

新型管片接头盾构隧道衬砌结构整环足尺试验研究

[目的]目前,我国的盾构隧道结构存在管片局部削弱、接缝变形大、施工效率低及不利于自动化拼装等问题,因此,有必要对采用新型管片接头的盾构隧道结构力学性能进行研究。[方法]介绍了试验概况、加载方案及测试系统;基于新型管片接头的力学性能,对盾构隧道衬砌结构力学性能进行分析,并开展新型管片接头盾构隧道衬砌结构整环足尺试验。[结果及结论]采用新型管片接头的盾构隧道衬砌结构在各工况下的收敛变形、接缝变形量及连接件受力均满足设计要求;管片结构整体变形呈现左右不对称的特点,管片结构右腰的变形量和内力均大于左腰;管片结构在弹性阶段的刚度为2.21×10～4 N/mm;由于正弯矩接头连接件的受力相较于负弯矩接头更加不利,因此在施工运营过程中,应重点关注管片结构顶底位置的接缝受力情况。