大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

盾构隧道施工期衬砌管片受力特性及其影响分析

针对施工期盾构隧道管片衬砌的受力特性及其施工荷载对管片结构造成的影响开展研究。首先,对施工期管片所受施工荷载进行系统总结,包括千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾壳作用力、拼装荷载及其他荷载等;进而将施工阶段管片衬砌的受力特性归纳为典型三维特性、不确定性及不可忽视性等三方面。在此基础上,对施工荷载对管片结构的影响进行了分析讨论,包括施工期的管片裂缝、局部破损、止水条损坏、管片渗漏、管片错台等。最后,从掘进千斤顶控制、注浆压力控制、螺栓二次预紧等角度对施工期盾构隧道的管片破损保护工作提出了建议。分析表明,对盾构隧道施工期管片受力特性及其影响的研究亟待深入,管片设计及相关规范亦应更加重视施工荷载的作用及其影响     

黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析

为探明黄土地层中地铁盾构隧道管片衬砌结构与周围土体的相互作用关系,以西安地铁2号线穿越老黄土地层盾构隧道为研究对象,对实际作用于管片衬砌结构的水压力、土压力及主体结构内力（轴力、弯矩）进行现场动态跟踪测试,分析施工过程中盾构机动态掘进及后期稳定后的土-水压力对管片结构受力的影响。结合利用管片内力的现场实测值,采用正交试验设计分析方法,定义优化分析函数,反演分析黄土地层中盾构隧道管片衬砌结构设计荷载的合理计算参数。通过对比分析表明,运用优化后的设计参数得出的计算内力值与实测值在量值与分布上均较为接近,证实了分析方法的可行性、合理性,其成果可供类似工程设计参考。     

超大直径浅埋盾构隧道土压力实测分析及其计算方法适用性评价

以扬州瘦西湖隧道为工程依托,对超大直径盾构隧道管片荷载、结构内力等进行长期现场监测,分析超大直径浅埋盾构隧道土压力、管片钢筋应变的变化规律。采用上覆土柱法、太沙基松弛土压力法计算管片土压力理论计算值,并与现场实测结果对比,分析不同土压力计算方法在不同埋深条件下的适用范围。结果表明,盾构纠偏对隧道管片荷载大小、分布形式影响较大,且其影响一致持续至稳定期;盾构隧道施工结束后,作用在盾构管片上的土压力逐渐减小并趋于稳定;管片钢筋应变同土压力变化趋势基本一致,但进入稳定期时间略滞后于土压力,土压力进入稳定期后实测土压力值约为理论计算值的48%～60%;松弛土压力法计算的土压力值较上覆土柱法计算值和实测结果更为接近。研究成果可为盾构隧道管片设计荷载取值提供指导。     

盾构衬砌管片土压力反分析研究

作用在管片上的土压力是影响管片设计的关键因素之一。目前松弛土压力的计算理论存在较多假定,与实际受力状态存在很大的差异,而且由于壁后注浆使得盾构隧道管片土压力实测比较困难,普遍存在土压力实测数据可靠性不高的问题。针对以上问题,建立了一种管片土压力反演分析方法,根据相对易于测定的管片内力实测数据,采用最优化方法反演作用在管片上的土压力的大小和分布。反演计算结果表明,深埋与浅埋条件下隧道土压力有较大的不同,且与目前设计土压力假定的分布也有很大的区别。     

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。     

盾构隧道掘进过程中同步注浆技术的应用

根据广州地铁二号线(越一三)盾构区间盾构隧道管片衬砌背后注浆施工情况，重点介绍了盾构施工过程中同步注浆技术的设计与施工。     

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显...     

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。     

注浆对盾构隧道渗漏引起的孔隙水压力变化的影响

接缝和注浆孔是运营隧道渗漏水的主要通道,渗漏水引起孔隙水压力下降,引发隧道和地层的附加沉降。为了控制隧道渗漏水,工程上经常采用注浆进行处理,而作为控制隧道沉降的同步注浆和二次注浆也认为是盾构隧道防水的第1道防线。然而,目前注浆对隧道渗漏水的影响规律和机制不明确,为研究注浆对隧道渗漏水的影响,首先通过室内试验得到不同类型注浆体的渗透特性,试验发现无论惰性浆液还是可硬性浆液,其渗透特性在凝固初期都随时间和固结压力逐渐减小,最终,惰性浆液的渗透系数大于可硬性浆液,因此,可硬性浆液对隧道渗漏水有一定的控制效果;提出了隧道渗漏引发的土体孔隙水压力变化计算方法,该方法能综合考虑土体-注浆层-管片的共同作用;揭示了注浆对隧道渗漏水的影响规律,注浆对渗漏水的影响取决于注浆体和管片的相对渗透系数;提出了能够反映注浆体和管片对孔隙水压力变化影响的评价指标。研究发现,注浆能减小隧道渗漏引起的地层孔隙水压力的下降,但其影响程度受到隧道管片与土体相对渗透系数的影响。     

TBM隧道回填层-管片受力特征模型试验研究

回填层作为围岩和管片之间的连接部分,起到稳定衬砌、传递荷载、吸收变形等作用。护盾式TBM隧道施工过程中,回填层存在未注浆松散、注浆固结两个主要状态。回填层状态不同,回填层作用及管片受力特点也不同。研究采用相似模型试验分析不同状态下的回填层作用机制,通过研究得到了以下结论：回填层未注浆松散状态下,由于碎石的径向压缩与环向移动,围岩传递到管片上的荷载量值降低且分布较为均匀,此时回填层作为“可压缩层”,具有让压和均匀荷载的作用,能明显降低管片的受力和变形;回填层注浆固结后,回填层虽然能够承担少量的荷载与变形,但承载能力有限,主要作为围岩与管片之间的“传递层”,传递荷载与变形;对于挤压性围岩护盾式TBM隧道施工可适当应用回填层未注浆时的“可压缩性”,减小施工过程中管片受力与变形;对于浅埋及地铁隧道则应尽早注浆,使衬砌与围岩形成稳定的受力体系;回填层弹性模量的增加可提高回填层-管片组合体系支护刚度,但增加效果不明显。     

既有建筑对极软岩地层中土压盾构的施工影响

基于土压盾构在极软岩地层中近距离下穿既有建筑的背景,采用ABAQUS有限元数值模拟与现场实测相结合的方法,从地表和建筑物竖向位移变化及其控制的角度出发研究既有建筑对盾构施工的影响.实测结果表明:地表和建筑物在盾构下穿过程中会呈现出先隆起后沉降的趋势,其中在盾尾脱出阶段地表和建筑物会产生较大速率的沉降.数值模拟结果表明:...     

超大直径土压平衡盾构施工对环境影响的现场监测研究

软土地层中盾构法隧道施工对周围环境影响的控制是施工中最为关心问题。依托上海迎宾三路?14.27 m土压平衡盾构隧道工程,通过在试验段布设监测断面、调整施工参数,研究超大直径土压平衡盾构施工诱发的地表沉降分布和发展规律。通过分析发现,超大直径土压平衡盾构施工中土舱压力和同步注浆参数的设定决定了地表沉降的发展规律,其中同步注浆的参数设定对于控制地表沉降起关键作用。同步注浆填充效果不佳会导致盾尾上方较大范围内地表沉降发展明显,距离盾尾越近,沉降速率越大,而填充效果较好时,地表沉降可以得到有效控制,Peck公式比较适于盾尾间隙填充效果不佳的情况。另外,监测数据揭示,盾构停推过程中超孔隙水压力逐渐消散,地表沉降持续发展,距离盾尾越近的位置地表沉降发展速率越大。     

盾构隧道监测土压力匹配误差分析

盾构隧道施工中采用了特殊的工艺——壁后注浆,包裹了隧道表面预埋设的土压力计,壁后注浆对土压力计的包裹将影响其监测结果的可靠性。在注浆体力学试验基础上,建立能考虑注浆体固结硬化过程的有限元模型,探讨注浆体层的包裹对土压力计监测结果的影响。注浆体注入盾尾空隙后,终凝前处于流动状态,具有较强调节土压力计部位局部土体不均匀沉降和畸变应力场的能力,监测土压力与实际较为接近,其匹配误差远小于通常地下结构表面监测土压力的匹配误差。     

Numerical investigation of tunneling in saturated soil: the role of construction and operation periods

This paper numerically investigates the slurry shield tunneling in fully saturated soils with different hydraulic conductivities in short- and long-term scales. A fully coupled hydromechanical three-dimensional model that accounts for the main aspects of tunnel construction and the hydromechanical interactions due to tunneling process is developed. An elasto-plastic constitutive model obeying a double hardening rule, namely hardening soil model, is employed in the numerical simulations. The research mainly focuses on assessing the influence of soil hydraulic conductivity and the method to simulate backfill grouting in the tail void on the evolution of ground subsidence, excess pore water pressure and lining forces. Two different consolidation schemes have been taken into account to computationally address the tunnel construction in soil with low and high hydraulic conductivities. In addition, different methods are employed to simulate the tail void grouting as a hydromechanical boundary condition and to study its effects on the model responses. Finally, the influences of infiltration of the fluidized particles of grouting suspension into the surrounding soil and its corresponding time–space hydraulic conductivity evolution on the displacements and lining forces are studied.     

Stresses around Pressure Tunnels with Semi-permeable Liners

Summary. The liner of a pressure tunnel needs to be designed such that it can withstand the loads from the ground, the internal pressure, and minimize the development of significant pore pressures at the liner-ground interface. Pore pressures behind the liner reduce the effective stresses in the ground immediately in contact with the liner and can ultimately produce loss of support from the ground. Deformations and loads of the liner are intimately connected to the interplay that exists between liner, ground, and pore pressures in the ground. A closed-form analytical solution has been derived that accounts for the inter-relation between liner, ground, and pore pressures. Elastic response of the liner and ground, and plane strain conditions at any cross-section of the tunnel are assumed. The solution shows that stresses in the ground depend on the following dimensionless factors: relative stiffness of the ground and liner, ground Poisson’s ratio, surface slope angle, coefficient of earth pressure at rest, relative tunnel depth, and magnitude of the pore pressure behind the liner relative to the internal pressure. The minimum ground effective tangential stresses at the ground-liner interface increase with the relative stiffness of the liner, with the coefficient of earth pressure at rest, and with tunnel depth. They decrease with increasing surface slope angle and pore pressures behind the liner. As leakage through the liner increases, the pore pressures in the ground increase. This results in a decrease of effective radial and tangential stresses in the ground while displacements and loads of the liner are relatively less affected.     

Analytical approach for circular-jointed shield tunnel lining based on the state space method

This paper presents a new analytical solution to the circular segmental tunnel lining subjected to overburden and surrounding earth pressures. The governing equations are derived by adopting the curved Euler beam theory and the principle of minimum potential energy. Based on the state space method, the displacements and the relevant energy-conjugated internal forces are treated as the fundamental unknown state vector and can be obtained by solving the state function. The inter-segment joints on the lining are modeled by a set of linear springs, including shear, compression, and rotation. The presented method allows for the arbitrary distribution of the segmented joints and loads along the circumferential direction. The most striking advantages of the proposed method include the rigid body displacement treatment, lining-displacement-dependent soil reaction, and internal force direction dependency of the joint stiffness. Using this method, the displacements and internal forces of the entire lining can be obtained conveniently and simultaneously under the arbitrary loading and joint distribution conditions. The verification of the analytical solutions is provided by several examples.     

盾构隧道管片上浮问题研究

盾构隧道施工过程中衬砌管片上浮问题是客观存在的,且一直是较难解决的问题之一,而大直径盾构隧道的上浮问题表现的更为突出。应用有限元法,对地层材料的物理力学性质、注浆材料的性质等影响盾构衬砌环上浮的因素进行了分析。根据分析结果,结合对衬砌结构在施工过程中受力状态的分析,对衬砌环上浮的原因进行了阐述,据此针对大直径盾构隧道的特点,提出了施工、设计过程中控制衬砌管片上浮的对策和措施,可为盾构隧道的施工和设计提供参考。