城市轨道交通类矩形盾构法隧道施工技术研究

通常盾构法隧道的断面形状均为圆形,其易于实现全断面切削和相对合理的结构受力体系,掩盖了空间利用率低、地下空间占用大的不足。矩形盾构法隧道在断面空间利用率和狭窄道路中的穿行能力上则存在较大优势,但因其结构受力和变形、盾构机推进控制、矩形管片拼装等难题,未能得到有效的发展。系统阐述了城市轨道交通类矩形盾构法隧道技术施工研究,通过分析类矩形盾构法施工上的重难点,分别从类矩形隧道全断面掘削、管片拼装、轴线控制和管控技术等相关技术方面进行研究和探索,为进一步开展矩形盾构法隧道的建设提供更可靠的依据和建议。     

盾构隧道管片接头缩尺试验模拟方法

由于盾构隧道管片接头刚度影响因素繁多复杂，使得缩尺模型管片接头制作困难、模拟效果较差。为此，提出一种采用特制弹簧与预埋螺栓共同工作的管片接头模拟方法来模拟原型管片接头，并分别对该方法设计的模型管片接头以及原型管片螺栓连接接头的轴向、剪切及弯曲刚度进行计算分析。通过对比分析可以得出设计管片模型接头与原型管片螺栓连接接头的等效条件，在满足上述等效条件的情况下，经相似关系换算可认为缩尺模型管片接头刚度与原型管片接头刚度满足试验设定的相似关系。最后，采用堆载试验对模型管片进行可行性验证。经理论分析及模型试验表明： 提出的盾构隧道管片接头缩尺试验模拟方法可使模型接头刚度等效于原型管片接头，能较为全面地满足模拟原型管片的要求。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

日本开发新型管片快速接头 可取代传统螺栓连接方式

正日本户田建设和HUME联合开发出一种管片快速接头——HGA接头,目前已在一项盾构隧道工程(内径2 800 mm)中投入应用。该接头能够取代以往的螺栓连接方式,实现管片分块间的快速拼接,从而提高施工效率,并且利用接头的高紧固力提升盾构隧道质量。通过此次工程应用,验证了该快速接头的施工性能和优势。开发背景传统盾构隧道管片拼装通常采用螺栓接头,需要进行封堵螺栓手孔等作业,存在后续工序施工时间较长等问题。对此,日本开发了多种仅需轴向滑动即可完成拼装的管片快速接头,具有缩短拼装时间、省略后续工序等优点,从而提升了施工效率。基于免二次衬砌和施工快速化、自动化理念,今后这类快速接头在管片拼装中的应用将会进一步增多。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。     

类矩形盾构法隧道关键技术研究与应用

在宁波地铁4号线工程中,创新采用"科研—设计—施工一体化"的管理模式,开发了"轨道交通类矩形盾构隧道"技术体系。该技术体系在类矩形盾构法隧道的衬砌结构设计方面,解决了管片设计、结构优化等问题;在类矩形盾构方面,开发了全断面切削刀盘与驱动系统、壳体铰接与密封、环臂式拼装机等技术;在施工技术方面,研究了同步注浆技术、管片拼装仿真与工艺优化、盾构轴线控制等关键技术。这一新的技术体系将为我国地铁建设提供一种全新的单峒双线隧道类型,以解决都市核心区和老旧城区"地下空间摆不下、邻近设施碰不起"的普遍问题。     

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。     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。     

防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

为实现管片接头的受力和接缝防水共赢,利用可模拟复杂接头特性的管片接头力学模型,分析不同位置、不同宽度、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响,并探讨兼顾管片接头受力与密封垫防水的接头设计,给出相应改进建议。研究表明： 1)对于软弱地层的管片接头,密封垫靠近接缝面中部布置可以使管片接头保持较高的抗弯刚度,降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服的风险,确保管片接头的受力安全,并具有良好的接缝防水能力; 2)对于硬质地层的管片接头,其密封垫靠近接缝面边缘布置或采用大宽度密封垫,并配合采用改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等综合措施,可达到同时降低接头抗弯刚度、确保接头安全、提高接缝防水的目的。     

考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用

大直径盾构隧道管片上浮问题是目前隧道建设难点。以大直径盾构隧道施工阶段管片上浮问题为背景,研究硬岩地层大直径盾构管片上浮影响因素,并考虑管片壁后同步注浆的填充效果,深入探究大直径管片上浮规律,为盾构施工速度和注浆效果的控制提供参考依据。根据硬岩地层大直径盾构注浆填充率不足的特点,从管片横向受力角度建立单环管片上浮计算公式。基于弹性地基梁理论建立隧道纵向上浮分析模型,通过梁的挠曲线微分方程并结合边界条件与变形协调方程,推导出考虑浆液填充率和时效性的管片上浮变形及内力的简易解析解,进而采用总量法获得了隧道纵向多环累计上浮量。结合工程实例进行了参数敏感性分析,研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际工程监测数据吻合良好,能够有效揭示隧道上浮过程中的变形规律、管片弯矩和剪力变化特征;上浮规律表现为激增段、缓降段和平稳段;浆液填充率、时效性和地基基床系数对大直径盾构上浮比较敏感,盾体间隙的增大易导致填充率不足,同步注浆应严格控制注浆压力和注浆量;浆液初凝时间和掘进速度直接决定单次注浆影响范围和上浮力大小。研究结果可用于盾构隧道管片上浮及变形预测,在掘进过程中可根据影响因素与上浮关系进一步调整施工参数,对大直径盾构隧道设计与施工具有一定指导意义。     

盾构切桩后桩基对管片作用力确定及控制措施

为获得盾构切除桥梁桩基后残桩对管片的竖向荷载及残桩的承载力,评估切桩后桥梁和盾构隧道结构安全,开展残桩对管片作用力的计算分析。首先,分析盾构切桩后残桩对管片作用力的影响因素,包括桩长减短、施工扰动及桥桩竖向刚度变化等。然后,在考虑这些因素影响的基础上建立残桩承载能力和所受竖向荷载计算公式,并以具体工程为例进行计算对比,结果表明： 本工程残桩承载力无法满足所受竖向荷载,需进行残桩周围地基加固;通过对地基注浆加固计算,残桩承载力可满足竖向荷载,能够保证管片和上部桥梁结构安全。最后,根据理论和实例分析,提出减小残桩对管片受力影响的施工控制措施,包括减小施工扰动、提高桩侧摩阻力及加强管片配筋和螺栓强度等。     

盾构管片上浮量变化规律及简化算法研究

在大多数软弱土层盾构隧道施工中管片上浮问题十分突出,严重时往往会导致管片破损和接缝错台。为诠释该现象的发展过程,为其预防控提供合理化建议,从实际出发,利用现场试验对管片脱离盾尾后管片上浮全过程进行了跟踪监测,并记录了各上浮管片的隧道收敛变形量加以分析。分析发现,管片脱离盾尾后的上浮规律大致分为加速阶段、平缓阶段和稳定阶段,并且第一阶段管片上浮最快,其上浮变化量占总上浮量的80%左右。隧道管片脱离盾尾后随着同步注浆浆液初凝时间的延迟,其上浮量逐渐增大,当浆液初凝后上浮量增幅变缓。伴随着盾尾管片的上浮,隧道收敛变形也随之线性增加,管片的竖向压缩量与水平拉伸量的比值大体介于0.6～0.9之间,呈现"横鸭蛋"形态。此外,提出了一种简化的盾构隧道管片上浮计算方法,该方法同时考虑了注浆浆液黏度时效性、静态上浮力、地层卸载回弹力、注浆压力、管片自重及环缝处管片摩擦阻力的影响。     

上海市高水压深层排水盾构隧道管片接缝密封垫形式试验研究

为使接缝处弹性密封垫在张开8 mm、错位10 mm的情况下仍能满足1.2 MPa高水压长期防水性能设计要求以及保证盾构拼装能力,对采用双道耐高水压密封垫的上海市深层排水盾构隧道工程接缝防水密封垫断面形式进行设计。对不同断面密封垫进行防水性能以及闭合压缩力数值模拟,通过对比分析、不断优化,得到防水和力学性能较优的密封垫断面形式,并进行管片接缝防水性能试验和闭合压缩力试验。试验结果表明:采用推荐断面形式的密封垫在邵尔A硬度为67度时,在精确装配下和接缝张开8mm、错位10 mm的情况下均满足1.2 MPa的长期防水能力要求,且适应盾构的拼装能力。     

软土地层大断面矩形隧道结构施工力学行为监测与分析

为确保软土地层大断面矩形下穿隧道施工时的安全,以昆明轨道交通3号线区间浅埋暗挖隧道为依托,采用中导洞法,将全断面分成6个导洞按照先中间后两侧、先上面后下面的顺序施工,并采用现场监测和理论分析的方法对隧道支护结构受力进行全过程监控与分析。监测分析结果表明:在矩形隧道顶部与侧面设置超长大管棚条件下,隧道初期支护内力变化较小,因受不同导洞开挖扰动影响,隧道结构底部出现受拉现象,导洞(2)(中下导洞)、导洞(4)(左下导洞)和导洞(5)(右上导洞)对整体结构安全起决定性作用,需要重点监控;最大围岩接触应力出现在导洞(4)(左下导洞)底部,隧道4个角的围岩应力明显大于其他部位,需要加强隧道底部基础注浆,以提高地基承载力;临时支护应力受不同导洞开挖影响出现明显的波动,很好地反映各导洞施工过程中围岩应力释放的特征。     

富水砂卵石地层盾构隧道长距离穿越机场飞行区技术研究

为确保国内首次在富水砂卵石地层长距离下穿机场飞行区，以及成都地区首次采用冻结法实施联络通道的隧道工程顺利实施，通过工程类比、专家论证、优化设计、数值计算与现场监测数据分析相结合等手段，提出长距离隧道整体工程筹划优化设计、盾构配置优化、克泥效工法、陆地声呐法空洞探测、联络通道预注浆与冻结法复合截水等一系列组合技术措施。实践结果表明： 1）采用盾构工法，优化线路平、纵断面设计，增设中间风井以大幅减少盾构单次掘进距离至1 km左右，并辅以严格的沉降控制组合措施等，可以成功解决富水砂卵石地层长距离下穿机场飞行区的重大技术难题； 2）本工程提出的先在洞内使用双液浆注浆预堵水，再采用冻结法加固的复合截水方案，在富水砂卵石地层可以达到良好的截水效果。     

盾构隧道管片上浮与对策综述

根据国内外盾构隧道施工中管片上浮现象,建立施工过程中的管片受力模型,分析管片上浮的实质原因：包括盾构姿态、隧道纵向刚度、同步注浆浆液未凝固段的长度、地层性质等,并提出控制管片上浮的主要措施。以期能对盾构隧道控制施工精度起到借鉴作用。     

软土大直径泥水盾构隧道施工期上浮的控制措施

大直径盾构公路隧道在近工作井区段覆土较浅,施工期易产生上浮现象。借助以往软土地区泥水盾构隧道的设计经验,通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作,得到可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜;间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。隧道抗浮的主要措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。