盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题,以苏通GIL工程管片接头为研究对象,建立三维精细化接头数值模型,模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力,采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性,进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律,与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度; 2）正负弯矩作用下,无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形,正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关,负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变; 3）接头采用斜螺栓连接时,正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时,可能发生环缝张开,使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程,采用自主研制的接头螺栓拉拔装置,开展了1：1接头足尺抗拉性能试验,分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下,管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响,对管片内表面的应力分布影响较小;纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中,未能充分发挥其承载能力,而在垂直接缝面的拉拔过程中,螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步,可充分发挥其承载能力,与混凝土强度配合较好;螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力,拧进程度越大,螺栓与套筒的联结能力越强,越能发挥纵向接头的抗拉拔能力;结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效,破坏具有突发性,顺拔工况下,纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏,垂直拔工况下,套筒内部螺纹被挤压破坏,因此,可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

错台对盾构管片纵缝压弯力学性态的影响

管片错台是盾构隧道的常见病害,严重危害了隧道的安全及耐久性,但关于错台对管片结构力学性能的影响研究还不充分,其发生机制尚不明确。采用足尺试验和数值模拟研究了错台对管片纵缝抗弯性能的影响。首先,针对错台管片接缝试件进行正负弯矩下的足尺压弯试验,建立并验证了考虑混凝土损伤的三维精细化错台接缝数值模型,综合试验数据和数值结果,总结了错台纵缝的破坏过程和破坏特征;然后,开展不同错台量工况下隧道纵缝的数值模拟计算,分析了不同错台量对管片接缝力学性态的影响。结果表明：错台管片接缝的破坏过程可分为5个阶段,阶段间的4个特征点分别为螺栓开始受力、管片明显损伤、管片顶部闭合和接缝破坏。错台对正弯矩接缝力学性能影响较小,但对负弯矩接缝抗弯能力影响明显,极限负弯矩承载力下降11.7%,第1阶段刚度下降22.8%,并且两者均随错台量的增加而线性减小。相对于无错台工况,错台接缝会引起螺栓对螺栓孔混凝土过度挤压,使其出现严重压溃,且负弯矩下管片内侧受力不对称导致受压损伤加剧,会提前形成因开裂导致的渗漏水通道。因此,在隧道运营阶段,应根据错台量正确预估接缝的承载力,并考虑错台可能引起的局部混凝土压溃等混凝土病害及二...     

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。     

钢筋锈蚀对上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能影响研究

为研究钢筋锈蚀后上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能退化规律,基于地铁盾构隧道环境条件及空间分布,对管片进行氯盐侵蚀加速钢筋锈蚀试验,并以此为基础进行纵缝接头正弯矩足尺试验。建立纵缝接头三维数值精细化计算模型,并分析钢筋锈蚀影响下地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能退化状况。对足尺试验和数值计算结果进行对比分析,结果表明： 1）在正弯矩作用下,钢筋锈蚀后纵缝接头的变形规律具有明显的阶段性特征。足尺试验中,纵缝接头变形可以划分为3个阶段。数值计算中,可定义6个特征点,纵缝接头变形划分为7个阶段。2）纵缝接头变形前6个阶段,钢筋锈蚀对主要变形特征值无明显影响。至最后一个阶段,随着钢筋锈蚀层厚度的增加,螺栓应变及极限承载力均减小。螺栓应变最大值减幅较大,极限承载力减幅较小。3）钢筋锈蚀后纵缝接头在正弯矩作用下,主要破坏形式为螺栓拉弯、端肋被拉断、外表面边缘混凝土剥离及压碎。     

纯压弯受力下大断面盾构隧道管片接头抗弯足尺试验研究

针对管片接头抗弯试验中接头是否处于纯压弯受力状态影响试验结果准确性问题,设计一套可使接头具有较大转动角度、保证其处于纯压弯受力状态的抗弯加载装置,并开展一系列不同轴力和弯矩下接头抗弯性能试验,试验中采用差动式位移计和应变传感器等对接头变形和螺栓应变进行测量。基于试验结果得出： 1）接头处于纯压弯受力状态时,正负弯矩下管片接头竖向位移、张开量、闭合量、转角、螺栓应力随弯矩变化的曲线较为平顺; 2）正弯矩下接头张开高度随弯矩变化可分为2个变化阶段,而负弯矩下受接缝面复杂变形接触关系影响,在上述2阶段变化规律之间出现了明显的“平台段”; 3）接头采用斜螺栓连接时,[JP2]正弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响大于负弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响,且正负弯矩下抗弯性能的差异随着轴力的增大而减小。     

螺栓锈蚀对盾构隧道接头抗弯性能的影响研究

为研究螺栓锈蚀对隧道服役性能的影响,通过考虑不同荷载类型和偏心距的情况,采用数值模拟的方法对连接螺栓锈蚀后盾构隧道接头极限承载力和抗弯刚度的变化进行分析,并与模型试验数据进行对比。通过对比分析发现： 1）螺栓锈蚀后受压区混凝土和螺栓屈服时的接头弯矩有所降低,结构弹性极限降低。2）在结构弹性阶段,螺栓锈蚀基本不会影响管片的接头抗弯性能; 在塑性阶段,螺栓锈蚀会使接头的变形增大,接头抗弯刚度降低。3）螺栓锈蚀会降低接头的极限承载力,极限承载力的退化程度与螺栓锈蚀率有关,与螺栓锈蚀范围的大小无关; 在负弯矩工况中,螺栓锈蚀还会改变接头的破坏状态。     

越江盾构隧道纵向受力及变形分析研究

以某越江盾构隧道工程为背景,采用三维梁-弹簧模型对水位变化、河床冲刷等不同情况下盾构隧道的纵向受力及纵向变形进行数值模拟,并对数值计算结果进行了分析.分析可知,纵向上的沉降主要发生在地质条件变化处、地形条件突然变化处以及盾构隧道与竖井的连接处.探讨了盾构隧道与竖井的不同连接方式对于隧道纵向内力及变形的影响,并进行了对比分析,根据分析结果提出采用柔性连接的建议.     

UHPC加固盾构隧道衬砌结构试验

为了研究超高性能混凝土（UHPC）加固盾构隧道衬砌结构性能,首先开展了UHPC材料抗压、抗拉试验研究,然后将其应用于加固盾构隧道衬砌结构,并开展了加固结构的极限承载力足尺试验研究。该加固方法包括以下步骤：在隧道管片内表面进行凿毛处理,在凿毛后的内弧面植入弯筋和化学锚栓,清理凿毛表面,最后在内弧面浇筑0.06 m厚UHPC。未加固衬砌结构整环外径6.2 m,环宽0.6 m,管片厚度0.35 m。加固结构通过外弧面上均匀分布的24个千斤顶进行加载,这些千斤顶分为3组,分别控制其荷载大小,以模拟地层的不均匀压力。标准养护条件下,UHPC18 d龄期（足尺试验龄期）的抗压和抗拉弹性极限强度分别达到138 MPa和12 MPa。加固整环结构的弹性极限由腰部外弧面的混凝土开裂控制,结构破坏是由于原管片接头位置出现4个塑性铰,致使结构变成可变机构。通过分析试验结果以及对比现有加固技术,得到如下主要结论：①UHPC材料的拉压力学性能对养护湿度的依赖性较小,材料存在明显的应变强化现象;②UHPC加固隧道衬砌结构极限承载力由管片接头部位性能控制;③UHPC自身的材料性能得到充分利用,但原隧道管片的材料性能尚未得到充分发挥;④相比未加固结构,初始结构刚度提高1个数量级,结构弹性极限提高了115%,UHPC加固结构承载力和传统的钢板加固相当。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

温度-围压作用下盾构隧道衬砌应力变化规律研究

为分析围岩压力和温度变化对盾构隧道衬砌应力变化的影响。文中推导了衬砌应力计算公式,并利用所得公式采用MATLAB绘制了衬砌应力变化图,对衬砌应力变化规律进行了理论分析。结果表明,①衬砌各方向应力随围岩压力的增大而线性增加;②径向与环向应力随内外壁温差增加,压应力逐渐减小到0 kPa后转变为拉应力并逐渐增大,纵向应力基本不随温差而发生改变;③当温差为正时,径向拉应力和纵向压应力逐渐减小,环向压应力减小到0 kPa后转变为拉应力逐渐增大,当温差为负时,径向压应力减小,环向和纵向压应力随半径增加而变大。分析得到的衬砌应力变化规律可为隧道支护结构设计提供参考。     

盾构隧道横向受力的通用解析计算方法研究

在盾构近接工程中,隧道周围的土体荷载可能不再是半无限土体中的规则分布。从结构力学力法基本原理出发,通过对荷载分布的离散化处理,建立了一种通用的解析计算方法,可以计算任意土体荷载分布下隧道衬砌结构的内力和变形。为方便工程应用,借助于MATLAB编程,对3种土压力分布形式下的隧道内力和变形进行了程序化计算。结果表明:当侧向土压力为均匀分布和梯形分布时,衬砌环的内力和径向收敛位移差异较小,不超过10%;当侧向土压力为二次分布时,衬砌环的弯矩和剪力有所增加,轴力有所减小,横鸭蛋弯曲变形程度增强。     

盾构法隧道管片环缝面不平整对结构受力影响研究

为了解环缝面不平整导致管片产生渗漏裂缝的具体影响,对衬砌环不同错缝拼装角度、环缝面不同传力方式、环缝面不同不平整度等因素对管片纵向受力及开裂的影响进行研究。主要研究结论如下: 1)因管片制作尺寸误差不可避免,设计中必须考虑环缝面不平整对管片结构受力的影响。由环缝面不平整产生的纵向不均匀接触荷载既可能是施工荷载,也可能是使用阶段的一个可变荷载。2)因管片环缝面不平整产生的纵向荷载与衬砌环分块、拼装方式及传力方式等有关,1/3 或1/4 标准块错缝拼装角度产生的最大纵向荷载要大于1/2 标准块错缝拼装角度,凸台传力方式产生的最大纵向荷载要大于垫片传力方式。当管片分块与拼装方式相同时,凸台传力方式更容易使管片产生开裂。3)在采用最不利纵向荷载时,建议取1. 0Δ(Δ 为环宽允许偏差)作为环缝面不平整度设计值,计算所得管片纵向弯矩与管片横向内力组合后按双向偏压构件对管片进行配筋,且纵向弯矩产生的裂缝开展宽度不应大于0. 1 mm。     

上海地区土体静止侧压力系数的试验研究

静止侧压力系数K_0是进行地下结构设计时必不可少的参数,准确确定K_0系数具有重要的工程意义。依托上海深隧工程,采用三轴仪开展K_0固结试验,研究不同加、卸载路径下土体K_0系数的变化规律,分析了几种常见的静止侧压力系数确定方法的适用性,并根据试验结果得到了新的预测公式。结果表明:(1)深部黏性土的K_0值在0.30～0.45之间,且与土层的先期固结压力成正比;(2)在取土引起的应力释放到再加载的过程中,部分试样的K_0值先减小至低于正常固结值,再增大并逐渐稳定;(3)采用经验公式估算K_0值时,土体内摩擦角宜采用正常固结时的有效峰值内摩擦角。     

盾构隧道深层土体沉降槽宽度系数计算方法研究

收集了12组盾构法隧道施工引起的深层土体沉降实测数据,研究深层土体沉降槽宽度系数i(z)随着地层深度z增加产生的变化规律。研究结果表明:i(z)随着z的增加而逐渐减小;i(z)/i(z=0)与(1-z/h)(h为隧道轴线埋深)之比在黏性土中基本呈幂函数关系,砂土中基本呈线性关系。对姜忻良计算公式进行了修正,使其具有更广泛的适用性。通过回归分析,提出一个新的i(z)经验计算公式。通过反分析以及与解析解进行比较,给出这两个公式计算参数的取值范围。算例分析表明,这两个公式均能较好的拟合实测值,可考虑不同土质条件,包括黏性土和砂类土,适用范围较广。     

盾构隧道施工对邻近桩基的影响研究

以杭州地铁隧道二号线某区间盾构下穿桩基建筑为研究对象,通过数值模拟方法分析了盾构隧道布置位置对邻近桩基变形的影响,并与土层变形传统预测公式进行比较。研究结果表明:当隧道位于桩基正下方时,隧道开挖造成上部桩基及周边土体较大沉降;随着隧道和桩基水平距离增加,隧道开挖对桩基和周边土体影响逐渐减小;当水平距离与桩径的比值（L/D）大于6时,隧道开挖对桩基及周边土体影响较小,数值模拟结果和传统公式预测值接近。