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     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

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。     

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。     

位移释放率对双护盾TBM护盾压力的影响研究

为了研究隧洞纵向位移（LDP）释放率对双护盾隧洞掘进机（TBM）围岩变形及护盾压力的影响,在FLAC3D中采用应力释放法对LDP曲线实现了较好的控制,并指出采用计算时间步控制的缺陷,在考虑护盾与围岩之间不均匀间隙情况下,详细分析了应力释放率对TBM掘进中围岩LDP曲线变化规律、护盾所受挤压力及围岩塑性区的影响。得出了以下结论：（1）不同岩体力学参数下,LDP曲线受应力释放率的敏感程度不同;（2）随着应力释放率的逐渐增加,围岩LDP曲线特征及与TBM护盾相互接触的部位有所不同,TBM护盾接触挤压力和所受摩擦阻力逐渐增大;（3）护盾外围塑性区的形状与应力释放率和护盾与围岩之间的不均匀间隙有关,当在较大的应力释放率下,塑性区呈现自上而下逐渐减小的特征。     

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。     

回填压注对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究

受隧道建设过程中施工条件等因素的影响,衬砌背后与围岩之间常有空洞存在,而使衬砌受到不均匀的荷载作用,同时因空洞部位不能产生被动抗力约束衬砌的变形,结构极易产生病害而使隧道尽早的进入到维修管理阶段。文章以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,全面研究结构在同级围岩中相同缺陷形式下,采用相同加载方式至结构产生病害后进行不同补强方式的破坏性试验。通过对回填压注的效果进行对比性分析得出:对于存在空洞的病害隧道,回填压注应作为首选补强形式。     

上公山隧洞4+439部位TMB卡机地质条件及后护盾顶部塑性变形分析

被选做长距离地下隧洞施工的岩石掘进机(TBM)以快速施工优势明显著称,当遇到软弱围岩加断层破碎带时,常发生卡机等事故,面临工期延误等挑战。穿越元古界黑山头组砂质板岩等软弱岩体的上公山隧洞,施工中多次发生围岩大变形卡机等施工地质灾害。其中较严重的是在桩号4+439侧向扩挖过程中TBM后护盾出现变形裂缝的严重事故。采用X-衍射粘土矿物分析、岩体受力模型分析和有限元数值模拟方法,研究软弱围岩与TBM相互作用下莫尔圆和库伦强度曲线的关系变化,模拟断层出露于隧洞掌子面不同部位时所产生的位移变化。结果发现,断层出露于掌子面中部时顶拱位移最大,侧向扩挖状态下护盾变为有侧向约束的单轴压缩状态,使顶部受压,反分析得到后护盾刚度系数K=153.00 k N/mm。鉴于所研究软弱围岩和小角度交切断层等不利地质条件,TBM正常适用受太多影响使工期延误,最终剩余洞段被钻爆法所取代。     

考虑时变性影响的盾构壁后注浆浆液固结及消散机制研究

在盾构管片壁后注浆时,由于浆液渗透压的存在,浆液会向外渗透,浆体本身逐渐固结,作用在管片上的注浆压力逐渐消散。考虑到浆液往周边地层渗透过程中由于黏度的变化会引起地层渗透系数的变化,推导了基于浆液黏度时变性的浆体固结变形方程和浆液压力消散方程,分析了浆液固结、消散及浆液压力沿管片外壁分布规律,为精细化分析施工阶段管片受力提供了计算依据。计算结果表明：浆液从注浆口喷出后,浆液黏性的增大使浆液流动性减小,注浆压力消散幅度减小,浆液消散持续时间变短。浆液配比与围岩渗透系数变化对注浆压力消散幅度及消散持续时间存在一定影响。现场实测结果与理论计算结果较为一致。在进行壁后注浆时,应充分考虑时变作用下浆液消散作用的影响。     

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。     

引红济石引水隧洞围岩力学特性研究

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了X射线衍射、崩解试验,分析了试样的组成成分、黏土矿物含量对崩解性影响;再通过一系列单轴压缩试验、三轴压缩试验和蠕变试验研究了该类岩石不同应力条件下的变形破坏特征及蠕变特性。试验结果表明,该类岩石含有大量的黏土矿物(33.49%),对水比较敏感,遇水膨胀易崩解,导致岩体软化;试样具有较大塑性压缩变形,其应力-应变曲线为应变强化型,且没有明显的峰值。基于试验研究成果和现场监测数据,对该软岩隧洞大变形机制进行了分析,并提出了在围岩与管片之间安装聚氨酯缓冲层的新型支护方案,通过数值计算对支护方案的合理性进行了验证。分析结果表明:聚氨酯缓冲层可以很好地吸收围岩形变压力,避免应力集中带来的管片错台,从而大大减小管片上破坏区的产生。研究成果对该类岩体中隧洞的设计施工以及长期稳定性分析具有重要的参考作用。     

深埋TBM施工输水隧洞结构的三维仿真分析

考虑围岩材料的弹塑性,引入有限元程序中的生死单元,建立了可模拟隧洞开挖过程的围岩三维仿真模型,求得了深埋隧洞围岩变形的分布模式;并在此基础上,采用接触模型和库仑摩擦模型模拟管片接头的非线性连接作用,建立了TBM隧洞管片结构的三维仿真模型,分析在不同工况（施工期、运行期、检修期）、不同围岩类型以及不同衬砌时机下管片的应力应变特征,为输水隧洞的适时衬砌和安全运行提供了依据。     

最小势能原理在关键层挠度计算中的应用

关键层对上覆岩层的变形起控制作用并与受其直接控制的岩层形成组合梁结构协调变形,依此原理可算得将关键层视为四边简支的弹性薄板时板中面承受的均布荷载,因此可用关键层的变形代替组合梁结构的变形。将承受等效荷载时缓慢下沉的关键层视为平衡体系,依据平衡体系势能最小的原理求得注浆前后关键层的最大挠度和最大拉应力的方向。离层注浆是控制地表变形的有效方法,注浆前后地表的沉陷变形与关键层的挠曲变形密切相关,在忽略表土层对沉陷起弱化作用的前提下可用注浆前后关键层最大挠度的变化间接的反映离层注浆的减沉效果。通过该理论计算得出的减沉值和实测数据较为接近,验证了采用最小势能原理进行注浆前后关键层挠度值计算的可行性。为关键层注浆前后的挠度计算和注浆减沉的效果评价提供了新的方法和思路。     

隧道洞口浅埋偏压段两种围岩注浆措施的抗震效果分析

为进一步提高隧道洞口浅埋偏压段的震时安全性,依托某铁路隧道洞口段工程,利用有限差分数值计算软件对两种围岩注浆抗震措施的抗震效果进行了研究,对比分析了围岩采用接触注浆与间隔注浆两种抗震措施对隧道衬砌结构位移以及内力的影响。研究结果表明:围岩采用接触注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了86.7%、38.1%,轴力及弯矩平均减小了45.12%、64.20%,最小安全系数平均提高了61.36%;围岩采用间隔注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了49.3%、23.8%,轴力及弯矩平均减小了39.42%、44.90%,最小安全系数平均提高了43.11%;围岩采用接触注浆抗震措施的抗震效果优于间隔注浆抗震措施。研究成果可为隧道洞口段抗震技术的发展提供参考。     

内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,内水压力是其承担的主要荷载之一。采用轴对称计算模型,以衬砌与围岩间接触应力状态为判断标准,研究了衬砌混凝土开裂前后围岩渗透系数、变形模量等材料参数对衬砌与围岩联合承载特性的影响,详细地介绍了透水衬砌的设计方法和计算过程,以混凝土最大裂缝宽度为控制标准,编制了透水衬砌结构计算与配筋设计程序,并给出了算例验证。计算结果表明,围岩渗透系数是隧洞结构设计的关键,与围岩变形模量具有同等重要作用;围岩透水性越差或变形模量越低,衬砌与围岩越容易脱开;与混凝土开裂前相比,混凝土开裂后,衬砌与围岩更容易脱开;与钢板衬砌方案相比,钢筋混凝土衬砌方案可以很大程度地减小钢材用量;建议高压钢筋混凝土衬砌隧洞设计、施工时,应尽可能地保持围岩的完整性,并进行细致周密的固结灌浆,以增强围岩抗渗能力。     

TBM施工隧道仰拱预制块的力学特性研究

针对TBM施工隧道仰拱预制块的特殊结构,采用围岩-结构模式,进行了模拟施工动态的受力影响计算分析。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响, 随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。最后,用试验数据验证计算的正确性,其结论可供TBM施工隧道仰拱预制块的优化设计参考。     

Mechanical response of surrounding rock of tunnels constructed with the TBM and drill-blasting method

There are two kinds of excavation methods in underground engineering: the tunnel boring machine (TBM) and the drill-blasting method. A large number of studies have shown that the deformation and failure, the degree of disturbance, the stability and the reinforcement measures of surrounding rock using the TBM and drill-blasting method vary from each other. To accurately master these macroscopic damages, it is necessary to focus on the investigation of the micro-mechanical responses of the surrounding rock. Scanning electron microscopy tests, acoustic emission tests and tunnel acoustic detection tests were carried out to analyze the mechanical response of surrounding rock of tunnels, which were excavated in marble by, respectively, the TBM and the drill-blasting method. The tests results showed that most of the rock fractures cut by TBM is wipe along the crystal, and the failure mechanism is mainly cutting, while most of the rock fractures induced by the TBM coincide with crystal planes, its mechanism is mainly tensile. The stress–strain curves of rocks cut by the TBM method are rather flat around the peak strength, which means a strong resistance to deformation around the peak load. The response of AE for the rock cut by the TBM method appears after larger strains than the response of the rock constructed by the drill-blasting method. This suggests that the resistance to damage is higher under TBM excavation conditions. The relaxation depths of the tunnel excavated by the drill-blasting method are larger than the tunnel excavated by the TBM method. The research can provide more insight into tunnel failure mechanisms and provide a framework for reinforcement measures.     

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。     

隧道衬砌冻胀压力问题研究

冻胀压力的量值和分布不仅取决于围岩的性态和气象条件,而且同衬砌结构的材料、刚度以及施工质量密切相关,从岩石和土层两种围岩中衬砌承受冻胀压力的机理出发,探讨其计算方法.通过计算分析,对寒冷地区隧道衬砌的设计和施工提出了若干建议.