砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象,对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算,探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响,揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性,提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。     

含气地层中气体释放对盾构隧道稳定性影响研究

随着地下工程的建设日益增多,部分工程穿越含气地层,含气地层会对隧道的施工产生一定不良的影响。盾构在沼气地层掘进过程中,由于管片气密性不良造成沼气通过管片环缝进入隧道,引起管片的纵向变形。针对这一现象,建立管片环缝单点气体释放条件下的管片变形模型,并用数值模拟方法与理论结果进行对比验证。通过其变形公式,分析不同含气层厚度、不同初始气压条件对管片的变形及管片接缝张开量的影响,探讨管片损坏的地层条件。结果表明,对于含气层较薄（＜1.5 m）、气体压力比较小（＜150 kPa）的地层,隧道气密性不严导致气体泄漏进入隧道会导致管片下沉,但一般不会破坏管片的防水设施。当含气层厚度大或气体压力较大时,气体释放会引起比较大的管片变形,破坏管片的防水能力,导致地下水进入隧道,引起管片的进一步变形;地层扰动大时,地层土体随地下水进入隧道,会造成管片的严重损坏,以至于断裂。     

盾构隧道纵向等效弯曲刚度的简化计算模型及影响因素分析

盾构法隧道在国内的应用越来越广泛,早期建造的盾构隧道在工后沉降较大时出现较大的纵向变形问题,考虑隧道结构特征的设计模型及其刚度计算逐渐得到重视。在考虑管片螺栓等结构特征基础上,建立可考虑环缝张开的三维纵向结构计算模型。研究结果表明,与管片环接缝相关的影响因素,如螺栓的数量、螺栓的预紧力以及管片环宽度对纵向弯曲刚度有效率影响较大,随着纵向螺栓数量和管片环宽度的增加而线性增加,随着螺栓预紧力的增加而非线性快速增加,而管片环的横向弯曲刚度有效率影响较小。研究成果为盾构隧道纵向设计提供了关键参数。     

高水压大断面盾构隧道管片衬砌结构静力学行为模型试验研究

以武汉长江隧道工程为背景,采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,最后对盾构隧道管片衬砌结构的静力学行为特征的试验结果进行了重点分析。分析表明,9等分块力学性能优于9+1分块;宜将错缝180°的错缝拼装方式作为武汉工程首选拼装方案;对于大幅宽管片,幅宽中央受环间螺栓剪力影响较小,而幅宽边缘则较大。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

西安地铁“先隧后井”法横通道施工控制技术研究

以西安砂卵石和黄土地层中地铁施工为依托,采用数值分析方法和原位监测等手段,针对"先隧后井"法横通道施工期间横通道的开挖方法、地层和既有盾构管片的预加固方案,进行优化分析和评价。结果表明,(1)增加风井横通道的开挖层数会引起地表沉降增大和施工作业空间不足问题,建议采用4层台阶、预留核心土法开挖,上、下台阶长度不宜超过3m;(2)风井横通道外侧砂卵石、黄土地层的注浆厚度不低于2.0 m,加固后地层弹性模量应提高至少0.2倍以上,应配合超前小导管和大管棚超前预支护措施,可以增强横通道开挖期间地层的稳定性和临近盾构管片的安全性;(3)既有管盾构片破除前应放松横通道两侧4～6环管片的联结螺栓,降低横通道开挖引起的盾构管片纵向挤压应力集中效应;(4)横通道垂直穿过既有盾构管片时应采取静力破除法,从上至下垂直分块拆除管片,再进行横通道与盾构区间隧道接口部位混凝土浇筑和钢筋植入施工,并针对接口范围内地层进行WSS注浆加固,进行接头防渗处理。     

复杂条件下地铁跨海隧道土建设计方案研究

大连某地铁跨海隧道工程地质条件复杂,临近加油站、大型船舶制造基地等建筑,同时下穿既有地铁、货运铁路、军港及大量建筑物,施工难度大、风险高。针对跨海隧道的特点和难点,从路由方案、工法比选、横断面方案、平面纵断面方案、盾构管片设计等方面进行分析,研究表明:(1)在本工程特定的环境条件下,应采用对环境影响小、施工风险较低的单洞双线大盾构方案跨海隧道施工工法;(2)隧道覆土最深处为管片受力的控制工况,内力最大值位于拱顶;(3)综合考虑机械设备和现场实施条件,2 m的管片环宽使隧道内环缝数量最少,对提高隧道的纵向刚度、加快施工进度、降低造价均有利;(4)采用拼装自动化程度高的通用型管片环方案,节约钢模数量,易于纠偏;(5)跨海隧道穿越地层软硬不均、结构受力较大,同时考虑抗震等要求,管片环、纵向连接接头均采用斜螺栓连接。     

盾构隧道实测土压力分布规律及影响因素研究

以大量现场实测土压力为基础,分析了影响盾构隧道衬砌土压力的一些主要因素,总结出不同地层地铁盾构隧道长期稳定土压力的分布规律,并探讨了盾构施工期土压力随时空的变化情况。研究得出,地下水位高低对稳定土压力大小及分布影响较大;作用在管片上的长期土压力大小与地层衬砌刚度系数有关,当地层衬砌刚度系数为1.5时,管片竖向及水平土压力都较小;盾构施工期临时荷载对管片土压力影响不可忽视,无论是黏土地层还是砂土地层,大的注浆压力及注浆率将导致作用在管片上的稳定土压力分布不均;管片土压力可按时空分为4个阶段,拼装阶段、同步注浆阶段、浆液凝固阶段及后期稳定阶段,其中同步注浆阶段管片周边最大土压力为稳定阶段的2～3倍。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-弹性铰-地基系统模型

从Reissner-Mindlin板单元入手,研究了盾构隧道管片衬砌结构之间的连接特征及土层与管片衬砌结构的共同作用,提出了盾构隧道管片衬砌结构的平板壳-弹性铰-地基系统模型,在此基础上研制了相应的有限元计算程序。该模型考虑了管片衬砌本身的弯曲、剪切和薄膜作用,考虑了纵向接缝在正负弯矩作用下的转动刚度差异和环向结缝对结构刚度的削弱作用,以及土层与衬砌结构的共同作用。能解决盾构隧道管片衬砌结构的三维受力分析,并能计算出结构的内力和变形,弥补了二维计算模型的某些不足。验证了程序的可靠性,最后给出了工程算例的三维计算分析结果。     

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM）;其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可...     

盾构下穿高铁路基变形规律模型试验研究

为了探究盾构下穿施工对高铁路基U型槽结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,设计了试验监测系统,采用φ1 200 mm小型盾构机进行了盾构隧洞顶距路基管桩底不同距离的2组室内模型试验。结果表明：随着距离盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为2倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道顶距离分别为0.5倍洞径和1倍洞径时沉降最大差值为10%;U型槽结构与相邻地层间产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。建议管片拼装完成后采用保水性好且有一定早期强度的注浆填充材料,以控制沉降变形,同时进行地层深孔注浆,及时充填松动地层孔隙,增加地层密实度。     

平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析

采用三维有限元方法对平行盾构隧道施工进行模拟,分析新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。模型中考虑了盾构机与管片衬砌相互作用,管片衬砌结构的横观各向同性性质。计算结果表明,既有隧道在盾构机附近主要产生纵向上的不均匀沉降和侧移,在盾构机后方主要产生横断面内的旋转。新隧道的修建还将使既有隧道受到“侧向加载“效应,使其横断面内的弯矩减小,轴力增大,且左、右侧受力不再对称。既有隧道纵向受力出现先受压、后受拉的特征,且在远离新隧道侧将出现最不利应力状态。分析表明盾构机顶进力、注浆压力和地层损失对既有隧道的影响较大,施工中应严格控制,而顶进反力的影响相对较小。该工作为类似工程的施工提供参考。     

挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究

为研究挤压地层双护盾隧道掘进机（TBM）作用下围岩变形及应力场特征,采用FLAC3D建立了完整模型,并详细阐述了隧道掘进机（TBM）施工过程中的模拟方法,重点分析了隧洞纵横断面内围岩位移场、应力场、塑性区特征。模拟结果表明,两腰下部范围内的围岩与TBM护盾发生接触并产生挤压,拱顶并未接触;受刀盘与护盾连接处的尺寸高差和前后护盾的锥度影响导致仰拱围岩内出现3次加卸载,仰拱内部环向应力和径向应力均大于拱顶和两腰,而且其主应力方向与径向线斜交,受扰动剧烈,但仰拱下方70°范围内的围岩基本处于弹性状态;横向断面内围岩塑性区自上而下逐渐减小,且距掌子面越远塑性区范围越大,但后盾塑性区范围变化不大。     

三管并行盾构隧道近接施工纵向效应离心模型试验研究

结合上海轨道交通9号线R413标段三管并行盾构隧道下穿沪杭铁路段工程,通过模拟盾构隧道的地层损失的方法,进行了离心模型试验,研究了设置地层加固和不设置地层加固情况下三管并行盾构隧道近接施工时的衬砌内力纵向效应规律。试验结果表明,中间隧道施工时,受其影响左右隧道拱腰位置弯矩和轴力均出现较大变化,设置地层加固可以有效减小纵向效应的影响,但仍需注意在施工中加强盾构壁后注浆,设置纵向钢架以减小近接施工纵向效应对管片尤其是接头处的影响。     

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析

基于盾构施工对周围土体及构筑物的扰动影响机理,通过实测数据对盾构近距离穿越扰动影响问题进行了定量分析,并讨论了运营隧道对各盾构施工参数的敏感性.研究结果表明盾构穿越对已建地铁隧道的扰动影响主要以隧道的竖向位移为主.随着盾构推进,隧道结构纵向上呈波浪状,其隆起峰值不断沿推进方向移动.盾尾后隧道段受盾构穿越的影响显著,但隆起峰值始终位于盾尾后.     

盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析

研究表明,盾构隧道长期渗水会造成地表及隧道严重沉降。针对盾构隧道局部渗流难以模拟的现状,首先提出了一种既符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法;在稳定渗流状态对应的相同渗流量的前提下,对比分析了管片在不同接头渗水条件下隧道周围土体孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形规律。分析结果表明,盾构隧道渗水接头的位置不同,孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道的变形均有明显差异;接头位置越靠近隧道底部,渗水导致的孔压减小越显著,造成的地表及隧道沉降越显著。接头渗水不但会使隧道发生横向椭圆化变形,还会引起隧道左右两侧受力不平衡,从而造成隧道水平侧移。通过对比表明,采用接头渗水和传统的衬砌均质渗水得到的孔压分布、沉降及隧道变形规律均有显著不同;不考虑隧道局部渗水特点会对隧道结构长期性态的认识产生偏差。     

基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数计算

拼缝渗漏水是盾构隧道最常见的病害表现形式,对衬砌的服役性能有重要影响。在前人研究成果的基础上,提出基于防水密封垫失效的拼缝有效开度假定,进而推导出基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的实用计算公式。以国内较为通用的常规断面盾构隧道为例,利用上述实用公式估算其渗流量,并与基于块体离散元的数值模拟结果相互验证。再以3种不同几何形态的盾构隧道为原型,完成了135种不同工况下的渗流计算,探讨了有效开度、衬砌外水压及衬砌几何形态,对盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的影响。结果表明:拼缝有效开度对渗流量及等效渗透系数的影响十分显著,未考虑拼缝间密封垫失效的传统计算方法可能高估了盾构隧道衬砌的防水性能。本文所述实用计算公式,具有表达清晰、计算简便的特点,可为盾构隧道衬砌的防水设计及后续服役性能评价提供定性和定量的参考。     

地震荷载作用下大坂盾构隧道管片配筋校核

将盾构隧道管片视为分段曲梁、管片之间为铰接关系、管片与地层之间为非线性接触关系,边界采用无限元吸收地震波的反向与折射,地层服从Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,地震波采用EI-Centro波,采用地层-结构法,应用隐式动力有限元分析地震荷载作用下管片轴力与弯矩分布情况。根据有限元计算结果,结合结构力学方法,校核管片配筋是否合理。与荷载结构法相比,其方法可模拟围岩与管片、管片与管片之间的相互关系,并可考虑锚杆等支护结构对管片受力的影响,因而,计算结果更为精确。研究为盾构隧道管片配筋优化设计,降低隧道支护成本,提供了一种管片配筋校核计算方法与设计依据。