大型水下盾构隧道结构研究现状与展望

随着我国大型水下盾构隧道的日益兴建,一系列结构问题愈发凸显,对结构的安全性提出了挑战,大型水下盾构隧道结构已逐渐成为国内外研究的热点.针对大型水下盾构隧道在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的结构问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:隧道横向结构的力学特征与分析方法,纵向结构变形与稳定性,隧道结构及附属结构物的地震响应及抗震与减震措施.总结了近期的研究成果与新进展,包括:整环管片衬砌结构力学特征与分析方法,接头力学性能,隧道结构纵向稳定性,施工期流固耦合效应及上浮机理,施工荷载的影响,火灾的影响与评估,水环境作用下管片衬砌结构的长期耐久性及结构性能评价等.最后,讨论了尚存的问题以及相关结构问题的研究趋势.     

类矩形盾构隧道衬砌结构设计模型研究

为了得到适用于类矩形盾构隧道结构设计模型,通过整环足尺试验模拟类矩形盾构隧道在正常运营工况下的实际受力,得到试验结构的变形和内力,采用等效刚度模型和梁-弹簧模型对试验结果进行分析,得到有效的类矩形盾构隧道结构设计参数. 结果表明:采用等效刚度模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,难以得到同时符合结构长短轴变形的管片刚度折减系数;采用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,结构变形和结构内力计算结果和足尺试验结果较为匹配,能真实反应类矩形盾构隧道结构受力,选用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型更为合理,所研究类矩形结构管片接缝的抗剪刚度建议为341 × 106～368 × 106 N/m;负弯矩接缝抗弯刚度建议为114 × 106～491 × 106 N?m/rad,正弯矩接缝抗弯刚度范围为85 × 106～177 × 106 N?m/rad.      

砂卵石地层下伏膨胀岩土盾构隧道结构内力特征

成都地铁二号线区间盾构隧道局部穿过砂卵石下伏膨胀岩土地层,为获得下伏地层膨胀荷载对盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,采用数值方法分析了下伏地层在不同范围发生局部膨胀时对衬砌结构外侧压力的影响.通过现场测试得到了盾尾注浆时和隧道贯通后衬砌结构荷载及内力的分布规律,并与不同膨胀荷载下结构内力的计算结果进行了比较.研究表明:膨胀圈厚度及范围对膨胀后压力增量的影响较小,膨胀力对压力增量的影响较大;局部膨胀荷载的存在将增大管片结构弯矩,对结构受力不利,负弯矩是下伏膨胀岩土地层盾构隧道结构设计的控制因素.计算砂卵石下伏膨胀岩土地层中盾构隧道结构内力时,应考虑膨胀荷载的影响,膨胀荷载可采用数值分析等手段确定.      

盾构施工对盾尾浆液压力波动变化的影响

为探明盾构隧道同步注浆过程中管片壁后浆液压力不稳定变化的原因,通过对珠海马骝洲隧道工程进行现场测试及施工参数统计,获得了盾构掘进过程中管片外荷载的变化规律与注浆滞后时间;将盾尾视为充满高压液体的密闭容器,盾构推进视为改变容器的边界条件,推导了盾尾体积应变与浆液压力的关系式;并用钱江隧道及Sohpia隧道的监测结果对其适用性进行了验证. 研究结果表明:造成同步注浆过程中管片壁后浆液压力不稳定变化的因素主要包括浆液注入口压力的波动变化,管片脱离盾尾过程中浆液的扩散及施工过程中同步注浆相较于盾构行程的滞后效应;马骝洲隧道注浆相较于盾构推进的平均滞后时间为86 s,当盾尾间隙体积变量为1 × 10–4时浆液压力变化值达到了0.218 MPa,盾构机从静止到掘进的短时间内滞后效应会使管片壁后浆液压力急剧降低的现象得到了验证.      

富水硬岩地层盾构管片上浮机理及控制对策

管片上浮引发的错台、开裂是盾构隧道施工过程中的典型问题。针对长沙地铁6 号线朝芙区间管片上浮严重的地段,分析了富水硬岩地层中管片上浮的机理,并采用数值模拟的方法探究了浆液凝固时间、浆液早期弹性模量及地下水位对管片上浮的影响,结合施工过程提出控制管片上浮的对策。研究结果表明:浆液的凝固时间对管片上浮影响最大,通过调整浆液的配比,让浆液在4~6h内凝固可有效控制管片上浮;浆液的早期弹性模量对于管片上浮也有很大影响,可根据实际情况选择性质较好的浆液,其中双液浆可在30s内速凝形成很高的弹性模量,可应用于上浮严重地段,抑制管片上浮;较低的地下水压力对抑制管片上浮较有利,在盾尾每10环施作止水环箍可有效形成止水隔离带,降低地下水的影响;控制同步注浆过程保证同步注浆的质量,其中注浆压力控制在设定范围内且不能超过设定值,将理论注浆量进行调整且增加管片上部注浆比例;控制盾构的掘进姿态从而减小管片受力不均引起的上浮,同时控制盾构掘进速度能够保证盾尾空隙被同步注浆浆液有效填充。     

地铁盾构高性能同步注浆材料的应用研究

盾构法隧道施工是隧道建设中常见的施工方法。为防止盾构过程中出现地表沉降及管片偏移等结构稳定性问题,必须通过壁后同步注浆施工填充空隙,确保隧道周围的岩体及时获得支撑,以控制地表变形,保证管片的均匀受力与结构稳定性。盾构工程对同步注浆材料有不同的技术要求,而现行的注浆材料依然存在着各种适用性问题,主要对地铁盾构施工中高性能同步注浆材料的配合比进行研究。     

盾构上跨复合岩土层既有隧道管片力学分析

目前,地铁隧道采用盾构法施工趋于常态化,但传统荷载体系在复合岩土层中盾构隧道上跨既有隧道管片的受力计算中还存在一定局限性。为解决该问题,本研究通过修正惯用法与梁-弹簧模型的优缺点,提出了关于盾构上跨复合岩土层既有隧道管片的荷载体系与计算方法,并依托长沙地铁4号线圭塘站区间隧道工程,采用有限元模型对比分析了梁-弹簧模型与本方法结果。研究结果表明:穿越盾构后,既有隧道竖向位移趋势明显,盾构隧道管片位移引起拱顶与拱底的地层被动抗力不可忽略。梁-弹簧模型夸大了盾构隧道拱底处的主动土压力,未考虑到下部岩层对盾构隧道管片切向变形抑制较弱,且其对切向弹簧的设置不合理。本方法更符合复合岩土层中盾构隧道上跨既有隧道管片的受力情况,该结论可为类似工程提供参考。     

盾构施工参数对隧道收敛变形的影响研究

依托武汉地铁11号线光谷四路站到光谷五路站施工段,研究盾构施工参数的选取对盾构管 片力学行为的影响,并针对可能出现的问题提出相应的控制措施。采用Abaqus 有限元计算软件对该工程中的S形曲线典型段的施工过程进行精细化仿真模拟,结合施工过程中典型监测点的长期监测资料,总结施工参数对隧道整环管片变形的影响规律,为施工过程中的隧道整环管片变形 预测与控制提供理论支撑。结果表明,围岩地质条件、注浆质量、土仓压力对盾构管片力学行为的影响较大,盾尾间隙对盾构管片力学行为的影响较小。将监测值与模拟值对比分析,发现两者 规律基本一致,说明对隧道工程进行数值模拟预测和仿真分析具有合理性和适用性。     

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.     

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...     

外圆内椭管片结构内力计算模型

为了使地铁隧道适应地层荷载的不均匀性,参考异形管片结构形式,同时兼顾制作与施工等因素,提出外圆内椭管片结构,以保证管片结构最不利位置的刚度满足安全要求,并适当降低管片其他位置的刚度,充分利用材料特性;采用刚度阶梯折算法求解外圆内椭管片的柔度系数与自由项,建立外圆内椭管片的计算模型;参照实际工程地质条件,研究外圆内椭管片的内力分布特点;利用《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)对外圆内椭管片的安全性进行评价。计算结果表明:相比于等刚度管片,在相同的荷载条件下,外圆内椭管片减小了管片结构拱顶与拱底的弯矩,将最大弯矩与最大轴力转移至拱腰,在验算时重点分析管片结构拱腰处的内力能否满足安全条件即可,简化了安全验算内容;在稳定性方面,等刚度管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为3.07、18.05和2.45,外圆内椭管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为2.79、14.86和2.21,虽然较之等刚度管片略有降低,但仍然大于安全验算要求规定的最小值2.0,可充分发挥混凝土的材料特性;在内部空间方面,外圆内椭管片在外径与等刚度管片一致的情况下,等刚度管片的内部空间面积为22.9m2,而外圆内椭管片的内部空间面积为23.76 m2,明显大于等刚度管片面积,因此,可在不扩大外径的条件下,增加了内部空间面积,提高了内部空间利用率。      

暗挖海底隧道地震动水压力响应分析

考虑黏弹性人工边界与流固耦合作用,建立了衬砌结构一土一海水相互作用的力学模型,基于Newmark算法,利用ANSYS有限元软件分析了在不同地震激励和埋深条件下动水压力的影响机理与隧道衬砌的振动响应规律．计算结果表明：在含有竖向分量的地震激励下,动水压力对浅埋海底隧道的内力影响较大,分析时不容忽视;当隧道埋深超过一定值后,结构地震反应变化微小可忽略．同时,针对圆形海底隧道进行的有限元计算结果可为海底隧道的工程抗震设计提供参考．     

水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征

为探明水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征,采用模型试验研究高水压条件下衬砌的力学行为、结构与围岩、地下水相互作用关系及结构破坏模式.研制了马蹄形断面非均布水压-土压加载装置,模拟大断面隧道衬砌主体结构在不同水压与土压共同作用下的力学行为.研究表明:弯矩沿衬砌周向总体上呈蝴蝶形分布,轴力呈近似椭圆形分布;土压力增大使结构弯矩、轴力、最大变形量和偏心距均增大;侧压系数增大使结构弯矩不同程度地减小,而使轴力增大;水压增大使衬砌轴力迅速增大,而弯矩增大较慢;高速铁路隧道衬砌结构承受的极限水压不宜超过500 kPa.      

地铁盾构隧道穿越既有铁路隧道的数值模拟

以无锡地铁某盾构隧道区间穿越既有铁路隧道为工程实例,基于Ansys数值软件建立3维力学模型,从盾构隧道施工过程中的盾构推力、注浆压力、施工工况、相邻隧道间距4个方面对盾构隧道施工引起的既有铁路隧道的结构变形和受力规律进行了数值模拟,并分析了既有隧道变形的机理和影响因素。     

大断面高速公路隧道复合式衬砌结构受力监测分析

以云南昆石高速公路某3车道大断面隧道为实例,对其典型断面洞室复合式衬砌结构各施工阶段的受力特性进行跟踪监测,详细分析了锚杆轴力、围岩压力、钢拱架内力、二次衬砌混凝土结构的受力状况,研究结果表明:受围岩体结构不均匀性的影响,其Ⅴ级围岩复合式衬砌结构的总体受力状况较为复杂,存在着一定的偏压现象,实测围岩压力远小于理论计算值,原施工图预设计的部分支护结构参数可以再作适当的优化调整。     

盾构近距下穿既有地铁盾构隧道施工参数控制

为研究盾构下穿既有盾构隧道时施工参数的合理取值,以北京南水北调东干渠工程盾构隧道穿越既有地铁盾构隧道施工为依托,通过对既有隧道沉降的数值模拟和现场监测数据、盾构施工参数的分析,讨论了既有左右线隧道沉降存在差异的原因,总结了控制沉降的施工参数经验,阐述了既有隧道受穿越施工扰动的沉降规律,提出并验证了盾构隧道病害整治的方法.研究结果表明:受盾构施工参数的影响,既有左线隧道沉降23.9 mm,而右线仅沉降4.8 mm,沉降差异明显,但规律基本一致;盾构施工时,土仓压力调整级差不宜大于0.005 MPa,严格控制同步注浆压力在0.50 MPa,二次补浆压力在0.20~0.35 MPa,曲线段适当减缓掘进速度;已投入运营的地铁维修作业时间短,宜通过化学注浆治理管片接缝和螺栓孔处的渗漏水,压力注胶充填树脂治理道床裂缝.      

盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望

随着我国城市地铁的大力发展,盾构法作为安全、环保、快速的建设手段,在地铁隧道修建中得到了广泛应用,已逐渐成为国内外研究的热点.通过综述我国城市地铁盾构隧道修建技术的发展历程及近期新的发展趋势,讨论了采用盾构法修建地铁隧道存在的技术问题,介绍了近期国内外盾构设备制造技术与选型技术、盾构施工对环境的影响及控制、复杂条件下盾构隧道结构性能、盾构隧道衬砌结构劣化特征与耐久性的相关技术研究与新进展,展望了未来我国地铁盾构隧道关于特种断面盾构的制造与应用、盾构扩挖修建车站技术、灾害与事故的影响与评估,以及衬砌结构安全性评价与维修养护体系的建构等的发展方向与研究趋势.      

小半径曲线并大坡度盾构施工管片破损及上浮受力分析

以天津地铁三号线水上北路站～吴家窑站盾构区间施工为背景,在管片处于小半径曲线、大坡度盾构施工的情况下,对管片的受力分析,讨论了引起管片破损及管片上浮的原因,并提出了相应的技术控制措施。研究结果印证了在地质为淤泥质粉质粘土层的条件下,管片破损的主要原因是推进油缸的靴撑对管片产生的侧向分力;管片上浮的决定性因素为壁后注浆的静态上浮力和千斤顶的推力,以及在设计轴线的法线上产生的向上的分力。