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。     

盾构法隧道施工阶段管片的力学分析

盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现局部破损现象。阐明了盾构施工阶段管片的受力特点,对其常见的局部破损现象及产生原因进行了总结与分析,在此基础上构建了施工阶段的管片力学模型,即一端固定、一端简支的受力构件。以某盾构工程施工参数为例,运用有限元方法实现该力学模型,按不同工况对其进行了数值模拟,并与现场实测结果进行了对比分析。研究表明：盾构施工阶段,衬砌管片会在第5～7环之间产生局部破损,与现场出现的管片破损部位十分接近;千斤顶推力的大小、倾角及偏差是导致施工阶段管片局部破损的主要原因,并给出了盾构施工阶段减轻管片破损的一些建议。     

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。     

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。     

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。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

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。     

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。     

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明：耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。     

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。     

邻近不同基础建筑物地铁盾构施工相互内力影响研究与分析

在建筑物密集的城区,盾构施工通常会使周围一定范围内的既有建筑物受到影响。在考虑建筑物基础形式不同情况下,采用有限元方法对邻近不同位置建筑物工况下的盾构隧道施工进行了模拟和分析。研究表明：建筑物基础形式不同,对隧道衬砌的受力状况的影响也不同,在邻近建筑物的盾构隧道施工时衬砌要承受更大的内力值。对于隧道邻近浅基础建筑物的工况,隧道开挖对建筑物的影响比较大;但对于桩基础建筑物,邻近基础一侧隧道开挖引起的建筑物内力变化相对较小     

考虑荷载工况组合的盾构衬砌横向受力分析

在盾构隧道衬砌受力分析中需要按最不利的荷载组合方式进行验算,这无疑加大了工程设计人员的工作量。正是基于这种状况,提出了考虑荷载工况组合的衬砌受力分析。首先建立了盾构隧道衬砌的结构分析模型,根据施工过程对荷载进行分类,依据规范对不同的工况进行荷载组合,得到衬砌内力包络图。并编制相应的计算程序进行了验证,对一典型盾构隧道截面进行了实例分析。     

地质条件不确定性下TBM管片结构失事概率计算

不良地质条件是影响TBM施工隧洞管片结构安全的重要因素。综合考虑围岩地质条件和衬砌结构的不确定性,提出了一种定量分析TBM管片结构失事概率的新方法。在基于Markov过程估计隧洞沿程地质岩性变化概率的基础上,建立了隧洞任意位置处管片选型不匹配的概率模型;考虑围岩和管片参数的不确定性,采用随机有限元方法计算某一类型管片在不同围岩下的失事概率;由此,采用全概率公式,可计算隧洞沿程任意位置处管片结构的失事概率。结合实际工程,针对施工期工况,确定了该隧洞管片沿程的失事概率、最大失事概率及其所对应的位置等,为管片选型、优化设计及TBM施工期的风险防范提供了依据。     

Analytical model for the beam action of a tunnel lining during construction

Measurements on a 14.5‐m diameter bored tunnel have shown that the mechanised assembly of a segmented tunnel lining results in a permanent longitudinal bending moment in the tunnel lining. An analytical model for the beam action of the tunnel lining during the construction phase of bored tunnels is presented. The model incorporates many of the essentials in staged beam construction. It takes into account the influence of forces from the TBM, the loading of the tunnel lining by the grout in the liquid phase, and linear elastic properties of the tunnel lining and soil. Calculations are compared with measurements at the Groene Hart Tunnel (GHT), 20 km south of Amsterdam: the bending moment curve and vertical inclination of tunnel lining segments were compared. The measured bending moment curve is well reproduced. The measured vertical inclination of the lining segments is found to be governed by the beam action of the tunnel lining plus the influence of shear force in the lining. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学性能研究

日益复杂的地铁建设环境使得地铁线路布置困难、施工风险加大,同时对施工方法也提出了更为严格的要求。采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站是解决复杂环境下地铁建设的一种新思路。以北京地铁14号线高家园站为背景,提出了在外径10 m的大直径盾构隧道基础上采用CRD(Cross Diaphragm)法扩挖地铁车站的两种方案,利用“地层-结构”相互作用有限元法模拟了车站扩挖施工过程,研究了结构体系的受力转换规律。结果表明：在扩挖施工中,结构受力转换频繁;结构体系的最大轴向应力位置由管片环转移到初期支护,最大剪应力位置转移到封顶块管片;管片环由受压状态为主转向受剪状态为主,初期支护、中隔板、梁柱及临时支撑以受压状态为主;封顶块管片和顶梁上部翼缘处的应力较大,应对这些位置进行加强处理。