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     

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。     

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。     

深埋小净距多线平行盾构掘进相互作用分析

浅覆软弱地层中小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道安全,但深埋情况下,由于地下岩土层的复杂性和不确定性,使得多线隧道施工时先行隧道的变形变得复杂。以上海硬X射线土建部分盾构隧道为背景,结合有限元数值模拟,分析了深埋小净距盾构隧道施工时的相互影响,并对不同的盾构参数进行了敏感性分析。研究表明:随着后行隧道的开挖,先行隧道管片的变形增量变化基本呈双峰特征。当采用左-右-中方式开挖时,管片变形增量呈一大一小双峰分布;而采用中-右-左方式时,管片竖向变形增量峰值的大小和方向相同,而水平变形增量的峰值相同,方向不同;随着浆液弹性模量的增加,管片竖向变形增量变化较大,水平变形增量基本不变;随着顶推力的增大,管片的变形也在相应地增大,并在支护应力比为0.6～0.7之间时达到稳定;地下水的存在对管片竖向变形有着一定的影响;通过对比2种开挖方式管片的变形收敛情况,选择左-右-中次序开挖比较安全。     

软土地层盾构隧道结构整体抬升实践

软土地层盾构施工易沉降过大导致轴线偏差,出现调坡困难,甚至影响后期列车运行速度,注浆抬升是轴线偏差治理的一种方法。宁波轨道交通某区间在施工过程中因对地层变化理解不彻底,导致沉降过大,调坡困难,为了不造成结构破坏,不影响工程工期,使隧道线型得到改善,对隧道结构整体抬升进行了实践。通过对地质情况分析,结构验算,注浆工艺研究,提出了下部注浆,内部支撑,实时监控,即时调整的思路,在注浆过程及时调整浆液。经过精细化管理,该区间最大稳定抬升量达3 cm。工程实践表明,注浆工艺和内部支撑对抬升阶段通用环管片结构安全起到重要作用,浆液的选择对后期稳定非常重要。该工程探索了软土地层盾构隧道不均匀沉降治理、控制措施,可为其他盾构隧道沉降治理提供参考和抬升设计提供依据。     

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。     

软土地基中节段式隧道衬砌与千斤顶力相互作用的三维模型

在大连湾海底隧道建设工程——光明路延伸工程隧道南侧近海域地段开挖过程中,隧道开挖引起的土体重分布会导致衬砌变形。本文利用ABAQUS有限元软件对衬砌变形与千斤顶力的关系进行了数值模拟研究,建立了在特定荷载下,节段厚度与千斤顶力的模型。研究结果表明：掘进所需的千斤顶力与节段的截面积有关,在复杂的地质特征和荷载作用下,隧道掘进工作面会产生较大的应力,需要有一定的推力才能掘进隧道。该模型分别分析了千斤顶推力的轴向力和地面荷载的弯矩对节段的接触应力和径向应力。     

地铁盾构隧道近距离上穿既有线路纵向变形计算方法

针对新建地铁盾构隧道近距离上穿施工引发运营地铁线路不均匀变形问题,将既有线盾构管片视为一系列位于Pasternak基础上由拉伸弹簧、压缩弹簧和剪切弹簧连接的弹性地基短梁,考虑了管片间转动效应和剪切效应以及管片与土体相互作用,建立了基于Mindlin理论的新建盾构隧道施工引起的附加应力以及基于最小势能原理的既有隧道纵向变形的计算方法。结合实测数据与已有方法对比,验证了方法的适用性,并根据工程实例,采用该方法对影响纵向变形的管片连接、土体力学参数、新线与既有线相对位置参数及加固效果进行了分析。结果表明：新建隧道施工至上穿部位时摩擦力f和注浆压力p对既有隧道变形影响较大,穿越既有隧道后纵向变形主要受卸荷附加应力F影响;随着管片间剪切刚度ks、抗拉刚度k T增大,既有线路隆起变形减小,其中ks影响相对较大,工程中可从增强ks和kT的角度控制隧道变形;环形支撑加固措施能有效控制既有线纵向变形,且环间距1.5 m、交叉点左右各3～5环可取得良好效果。     

地下水位升降对盾构隧道影响分析及其应对措施

文章以呼和浩特城市轨道交通1号线为研究对象，针对外部条件引起的地下水位升降变化，通过模拟计算和理论分析，研究水土共同作用下的地下水位升降与盾构隧道受力的关系，提出合理建议，提高了盾构隧道设计的结构安全与运营安全。研究结论表明：在不同埋深条件下，当地下水位位于拱顶以上时，管片配筋面积与地下水位埋深呈线性变化趋势，仅斜率存在差异；当地下水位位于拱顶以下与拱底之间时，呈抛物线变化趋势，抛物线开口大小、曲率等随着埋深的变化略有不同；当地下水位位于拱底以下时，呈水平直线趋势。在工程应用过程中，建议以拱腰作为计算基准水位，并对计算配筋面积适当放大，放大系数可取1.02。     

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。     

抗滑桩与周围岩土体间相互作用力的分布规律

基于岩土工程有限单元法研究了抗滑桩与周围岩土体间相互作用力的分布规律,研究结果表明,抗滑桩与围岩间相互作用力呈非线性分布.侧向膨胀力是由抗滑桩抑制围岩在重力作用下的侧向应变而产生,弹性模量对侧向膨胀力的非线性分布有重要影响.将抗滑桩锚固段某侧压应力对锚固段顶点的弯矩等效变成均匀分布力产生的弯矩,此均匀分布力为等效锚固力.等效锚固力与均布推力呈正比,比例系数随锚固比增大而减小.     

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。     

用点接触模拟滑面的滑坡稳定性分析方法

结合有限元强度折减法,用点接触模拟滑面,提出了适用于已知滑裂面的滑坡稳定性分析及滑坡推力计算的数值计算方法。以滑坡体为分析对象,用切向和法向两组弹簧的弹簧力来模拟滑裂面上的剪切力和法向力;结合强度折减法和摩尔-库仑强度准则对滑面弹簧刚度进行迭代计算,求解得到了满足静力平衡的数值解。该方法避免了极限平衡条分法求解边坡稳定性时需对条间力进行诸多假设的局限,也避免了有限元强度折减法求滑坡推力时需加桩计算的不便及收敛困难等问题。新方法能计算出极限状态下滑坡体上的应力、滑裂面上的边界力和稳定性系数以及给定安全系数下滑坡体上任意截面的滑坡推力大小、作用方向和位置,具有较严格的理论基础,可为实际工程中滑坡的治理提供一定的参考。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

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。     

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。     

大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析

以武汉长江隧道工程为例,采用三维壳-弹簧计算模型,对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析,并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。研究表明,全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位;环间接头剪力对幅宽边缘影响较大,而对幅宽中央影响偏小;当环间接头剪切刚度为非无穷大时,壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果,而当无穷大时两者数值则基本相等;壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间,并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果;大幅宽条件下,不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。     

超浅层顶管工作井建井技术

在顶管施工中,千斤顶的支座需要巨大的反力支持,这些反力是由工作井的侧壁以及壁后土体提供的。对于超浅层顶管工作井,由于侧壁后土体高差小,提供的反力有限,这就成为超浅层顶管工作井设计施工的一个难点。以实际工程为例,详细介绍了超浅层顶管工作井施工工艺,其中包括预注浆加固、环梁施工方法以及逆作法的施工要点等。     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。