盾构施工对不同位置地下管线变形的影响模拟试验研究

基于室内盾构模拟试验,研究管隧垂直、斜交和平行工况下盾构开挖对管线变形的影响。以合肥在建地铁为工程背景,主要对管线的沉降、变形和相对转角等规律进行模拟试验研究。研究结果表明,二次扰动更容易使土体产生沉降,对土体中的地下管线的位移影响更大;隧道在开挖过程中沿隧道轴向的管线变形与沿隧道环向的影响范围不同,隧道开挖对地下管线产生的环向变形影响大于轴向变形影响;隧道开挖使管线下方土压力发生变化,中间段管线下方产生荷载临空区域,土压力逐渐减小,两边缘端产生附加应力逐渐增大。研究成果可为盾构施工对地下管线变形影响的预测提供相应的控制破坏依据。     

苏通GIL综合管廊工程泥水盾构穿越致密复合砂层磨蚀性预测分析

高磨蚀性致密砂层中盾构刀具磨损严重制约施工效率。为准确预测大直径泥水盾构刮刀的磨损量与削掘距离寿命,本文采用隧道断面面积统计分析法和分段体积统计分析法对苏通GIL综合管廊工程DK0+~DK1+780段隧道所穿越的密实复合砂层进行统计分析。结合典型断面各地层面积权重,分段各地层体积权重及单一地层磨耗系数K得到了隧道穿越密实复合砂层各典型截面和分段上加权平均磨耗系数K'及其变化规律。根据加权平均磨耗系数K'及相应刀具磨损模型,对大直径泥水盾构在密实复合砂层中刀具磨损量及削掘距离寿命进行预测。并将预测结果与类似工程地质条件下南京长江隧道大直径泥水盾构实际施工过程中刀具磨损量及削掘距离寿命进行比较。研究结果表明:加权平均磨耗系数K'随掘进里程增加整体呈逐渐增大趋势,在1778m处取得最大值K'_max=18.36×10-3mm·km-1;刀具最严重磨损发生在安装直径D=12.07m处。取限定磨损量δ=5mm,对应的削掘距离寿命分别为L₁=1063m和L₂=453m,因此需要进行两次刀具更换。与南京长江隧道泥水盾构刀具实际磨损情况的对比表明预测结果具有较高的可靠性。该研究成果为苏通GIL综合管廊工程及类似地层条件下越江隧道盾构刀具磨损预测及更换提供了一定的理论依据。     

基于三维地震映像法的地铁盾构区间孤石勘探及其应用

球状或块状花岗岩不均匀风化残留的风化核(俗称"孤石")在我国南方沿海城市普遍发育。"孤石"经常导致盾构刀盘卡住及损坏,且可能引起地表的隆起等问题,因此在盾构施工前对"孤石"进行探测便于提前处理,是地铁工程勘察的难题。孤石与周围土层波阻抗不同的特点为地震映像法在孤石勘探中的应用提供了理论依据。本文首先介绍三维地震映像法的基本工作原理及方法;其次,建立含有孤石的三维地层模型,模拟三维地层中的地震映像法试验,研究不同位置测线的波形剖面图规律,结果表明:当测线在孤石投影区域内的时候,会产生明显的反射波和绕射波,可清晰观察到孤石的存在,经过数据处理后可确定孤石平面性状及埋深;最后,利用该方法对厦门地铁盾构区间的孤石进行勘探,当发现波形异常,揭示反射频率明显变低、振幅增强、有震荡现象和类似于短弧形的同相轴时,可判断为地下孤石。通过对比勘探结果与钻孔资料,验证了该方法的可靠性。本文提出了地铁孤石的探测及三维成像方法,供类似地区进行地质勘探借鉴。     

地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析

违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应和隧道埋深的地表堆载下既有盾构隧道变形和受力的简化解析解。将既有盾构隧道简化为搁置于Winkler地基的Timoshenko梁,地基反力系数考虑隧道埋深的影响。通过三维有限元模型和已发表工程案例的实测数据,验证所提方法的正确性及适用性。通过参数分析发现,在荷载中心与隧道中心距离较近情况下,浅埋盾构隧道将发生较大的沉降变形;提高等效抗弯刚度和基床反力系数可以减少隧道沉降变形。而增大等效剪切刚度对隧道的沉降变形贡献较小,但是可以明显减小管片之间的错台变形。该研究成果可为合理预测地表堆载对既有盾构隧道的影响提供一定的理论支持。     

泥水平衡盾构顶推力非线性动力学分析与应用研究

泥水平衡盾构开挖过程中常遇到盾构顶推力难以确定且波动复杂的问题。针对该问题,对盾构推进过程中所受阻力进行系统的分析,确定了阻力的组成部分和计算方法,改进了盾壳与周围土体间摩擦力的计算公式。分析泥水平衡盾构推进系统的组成和工作原理,基于盾构推力的静力学模型建立了单自由度动力学模型,根据能量守恒原理建立了系统的平衡微分方程,推导出盾构推力的非线性动力学公式。基于上述公式,分析了盾构推力的变化趋势和波动规律,确定了液压油缸的最佳行程距离。通过与武汉地铁8号线越江隧道长江穿越段盾构顶进推力的实测数据对比分析,验证了提出公式能够正确计算管片衬砌所受的动态顶推载荷,对衬砌结构内力分析具有重要意义。     

跨海地铁盾构管片混凝土耐久性及寿命预测分析

根据某跨海地铁2号线的工况，确定跨海区间盾构管片的环境类别和作用等级，由各原材料氯离子含量计算推荐配合比混凝土氯离子含量，并对推荐配合比混凝土开展氯离子扩散系数试验和抗压强度试验。分别使用《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)、《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)中的评定方法及多因素耦合评价(MFC)方法，基于钢筋开始锈蚀阶段t_i、混凝土保护层锈胀开裂阶段t_c、混凝土功能明显退化阶段t_d对混凝土结构使用年限t_e进行预测。结果表明，以上3种耐久性预测模型预测跨海地铁2号线推荐配合比使用年限的计算结果均大于100年，能够满足使用100年的要求。     

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析EI北大核心

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。     

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。     

组合推力下管片裂损形成机理及优化控制研究

针对施工过程中千斤顶推力作用下管片损伤问题开展研究。以苏州某地铁线路实际情况为基础,建立多环三维有限元模型,对千斤顶推力过大及推力不均综合作用下管片裂损形成、演化规律及损伤分布等进行分析,并提出相应的工程控制措施。研究结果表明:不同推力作用下,管片损伤主要沿着螺栓孔均匀分布,且内弧面损伤大于外弧面,管片的最大损伤因子呈近似线性增大,损伤面积呈非线性增加。当推力均匀分布时,管片损伤主要集中于第1环管片,当出现不均匀推力时,管片损伤会向推力较大侧转移,并逐渐向第2环和第3环管片发展,推力不均使得相同推力下管片裂缝出现的荷载提前约11%。设计施工中可以通过严格控制千斤顶不均匀推力、优化管片设计、实行分段控制等工程控制措施,减少盾构施工阶段管片裂损的形成。     

上软下硬场地中大直径盾构隧道地震响应分析

依托于某大直径盾构隧道工程项目，建立了基于黏弹性边界的地层-结构时程分析有限元模型。首先，基于振动台试验结果，验证了有限元数值模拟方法的有效性；进而，从软硬土层剪切波速比、软硬土层与隧道的相对位置、隧道埋深等三个方面，系统开展了上软下硬场地对大直径盾构隧道地震响应的影响研究。研究表明：上软下硬场地中的大直径盾构隧道弯矩最大值始终出现在软硬土层分界线附近。随着软硬土层剪切波速差异的增大，隧道的弯矩、剪力和接头张开量都有明显的增大，而隧道轴力和直径变形率的增大幅度较小。软硬土层与隧道的相对位置对隧道内力的影响具有不确定性。随着隧道埋深的增大，隧道弯矩、轴力和直径变形率逐渐增大。