盾构隧道壁后注浆浆液时变半球面扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体且浆液沿半球面扩散的前提下,应用达西定律对盾构管片注浆扩散半径及浆液对管片产生的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力的计算式.通过具体实例,对比分析了考虑浆液粘度时变性和不考虑浆液粘度时变性2种条件下注浆压力、注浆时间、浆液初始粘度、土体渗透系数对浆液扩散半径及浆液压力的影响,得到了浆液压力的分布形式.分析结果表明,注浆压力和土体渗透系数较大且注浆时间较长时,浆液的粘度时变性对浆液扩散范围和压力的影响显著;可通过调整注浆压力、注浆时间、浆液特性来调整注浆效果.     

施工期盾构隧道上浮机理与控制对策分析

从盾构隧道上覆土的最小厚度计算入手,提出因注浆浆液或泥浆、水等液体包裹管片而形成的静态浮力通常不足以使隧道上浮;在分析注浆压力分布模式的基础上,将注浆压力可能产生的动态上浮力与浆液环产生的静态浮力进行了比较,认为因注浆压力产生的动态上浮力是盾构隧道施工中产生上浮的主要原因,进而提出了控制盾构隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注浆压力计算式,验算结果与实际情况吻合;最后,基于对管片上浮机理的分析,对管片上浮控制提出了一些建议,并提出为防止管片上浮,需依据埋深、周围土体特性、注浆孔在管片环上的位置情况等对注浆压力实施动态控制.     

盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征,依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程,采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析,同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试,分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响.研究结果表明:临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化.管片衬砌结构内力受施工参数影响明显,尤其是千斤顶推力和注浆压力.     

大断面深埋高水压盾构隧道实测内力反算与分析

结合南京地铁3号线大直径盾构隧道工程,对隧道管片钢筋应变进行了现场测试,基于既有的管片内力反算方法,考虑混凝土非线性性质及管片接头,提出了适用于深埋高水压盾构隧道的内力改进算法,并对改进算法反算内力与结构设计计算内力进行了对比分析.结果表明:改进算法更能反映管片的实际受力状态,更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道;采用设计方法计算的深埋高水压盾构隧道管片及接头内力与改进算法反算内力的分布规律基本一致,但在量值上具有一定的差异;采用设计方法计算的管片及接头轴力为改进算法反算轴力的1/2左右,反算的管片弯矩在拱底位置与惯用法计算弯矩接近,在拱腰及拱顶位置与梁-弹簧法更为接近,反算的接头弯矩大于梁-弹簧模型计算接头弯矩.研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考.     

盾构穿过矿山法隧道的管片特性现场试验研究

以深圳市地铁某区间隧道为背景工程,针对矿山法+盾构法的复合施工法中二衬管片受力特性进行现场试验,埋设混凝土应变计、土压力盒和钢筋轴力计等仪器,监测并分析混凝土管片环缝接触面纵向应变、土压力以及钢筋轴力的变化规律.结果表明：监测量随时间的变化可分为2个阶段,整体预压力基本满足要求;混凝土管片环缝接触面纵向应变和土压力沿环向的分布极不均匀,壁后压浆能够改善管片的受力和控制上浮;实测管片钢筋的轴力远小于其设计值,应优化其配筋设计;需对环间螺栓进行多次有序复紧,对管片进行多次壁后补压浆.     

特殊荷载作用下电力电缆隧道结构内力计算

结合上海输电隧道工程实际,对其在内、外部荷载共同作用下的结构内力进行分析和计算,提出了盾构法施工条件下的电力隧道结构内力计算模式.结果表明：在盾构法施工条件下,适宜采用带有旋转弹簧及剪切弹簧接头的弹性地基圆环模型,以体现内部荷载施加前后管片内力的变化情况;横梁可使圆环水平变形减小,总体受力得到改善;横隔板及内部荷载可使管片轴力增加,横梁中部及两端弯矩增大,该处节点设计应尽量做到安全可靠,并做好连接点构造处理;横梁与衬砌结合部可产生应力集中,使得上部管片弯矩减小,下部管片弯矩增大,铰单元承受的弯矩减小.     

岩溶地层运营期地下水上涨引起管片上浮规律研究

岩溶地层溶隙发育,地下水流通性强,盾构隧道施工过程中浆液易流失,导致隧道运营过程中易出现上浮错台等灾害。为了研究岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位变化造成的管片上浮问题,通过数值模拟和现场监测,分析岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位上涨引起管片上浮的规律。结果表明：注浆层隧顶空洞、隧底注浆不密实和地下水位上涨是影响管片上浮的主要因素,其中隧顶空洞对管片上浮影响最大;管片隧顶注浆流失越严重,上部注浆层对管片的约束越小,地下水位上涨造成的管片上浮越明显;管片隧底注浆不密实导致管片底部和注浆层之间粘结力降低,管片上浮量增加;研究给出了管片上浮量与注浆层空洞、注浆不密实和地下水位的对应关系,可为岩溶地层盾构注浆施工质量控制提供借鉴。     

下穿黄河盾构隧道管片衬砌结构受力特征模型试验

针对兰州地铁穿河段盾构隧道穿越强透水砂卵石地层和承受较高外水压的特点,首先研制了外水压加载装置,该装置在衬砌模型内部创造了一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道-地层复合模拟试验系统开展了几何相似比为1∶10的室内模型加载试验,实现了土压和水压的分别控制加载.研究了水压、土压、土体侧压力系数及拼装方式对管片受力特征的影响.研究结果表明,随着水压的增大,管片轴力明显提高,弯矩略有减小,偏心距则明显降低;随着隧道上覆土压的增大,管片衬砌结构的轴力、弯矩、偏心距均呈增大趋势,但总体上量值变化较小;在水压一定时,覆土厚度的增加对管片弯矩的影响越来越大,而轴力变化速率均比较稳定;正常水压条件下,随着土体侧压力系数的增大,管片衬砌结构的轴力增大,弯矩减小,偏心距减小,随着水压的增大,侧压力系数对于管片结构受力特征的影响越来越小;错缝拼装情况下,管片内力在部分环向及纵向接头处会产生较大突变,且管片内力较通缝拼装情况大.     

膨胀岩地区盾构壁后纤维注浆材料试验研究

为研究膨胀岩地区纤维注浆材料与膨胀岩相互作用的规律,以南宁轨道交通一号线穿越膨胀岩区域为依托背景,开展纤维壁后注浆材料力学性能研究,选取3组工程常用配比,分别掺入0.9 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3聚丙烯纤维,进行抗压、劈裂抗拉、抗折试验。并自行设计模型试验装置,就掺入1.5 kg/m3纤维时注浆材料与膨胀岩相互作用开展模型试验及数值分析。试验结果表明:(1)与普通注浆材料相比较,纤维对注浆材料的强度影响较小,对其韧性增强作用明显,掺量1.5 kg/m3时,增韧效果最明显,相比普通试块,纤维掺量1.5 kg/m3及以上时挠度增加均在30%以上;(2)相对于普通浆液,相同条件下,纤维浆液使膨胀力衰减32%;(3)当膨胀力增至160 k Pa时,纤维浆液使管片最大正弯矩和最大负弯矩分别减小31.6%和24.2%,可见纤维注浆材料能有效减小膨胀岩膨胀变形对盾构管片的影响。     

黄土地层盾构隧道衬背空洞注浆过程变形规律

为了研究黄土地层盾构隧道衬背空洞注浆过程变形规律,采用渗流-应力耦合三维非线性有限元方法,系统分析了西安地铁某区间隧道衬背空洞注浆病害治理过程中隧道结构体系变形规律,并与实测位移成果进行对比分析、相互印证。实测结果表明,注浆过程中,地表累计沉降值为31mm,累计隆起值为5mm;管片累计横向位移值为45mm,上浮量达55mm,最终导致了管片破损和位移。耦合数值分析表明,地表累计沉降值为41mm,累计隆起值为62mm;管片累计竖向位移值为65mm,累计收敛峰值为47mm。基于渗流-应力耦合改变地下水位的方法计算得到的管片竖向位移和收敛结果与实测结果吻合良好,由于未考虑渗流过程中水流携带泥沙侵蚀空洞的复杂因素,地表沉降值与实测值相差较大,但变化趋势基本一致。     

新建盾构隧道下穿既有隧道剪切错台变形计算

采用剪切错台模型,研究新建盾构隧道正交下穿对上方既有地铁盾构隧道的影响.考虑新建隧道下穿时刀盘附加推力、盾壳摩擦力以及注浆附加压力在既有隧道轴线处产生的附加应力,将既有地铁盾构隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理并采用合理的位移试函数,建立计算方程来求解既有隧道的竖向位移值、盾构环之间的错台量、环间剪切力值以及这三者随着新建隧道掘进的三维变化过程.研究结果表明:用剪切错台模型和最小势能原理计算得到的既有盾构隧道竖向位移值与实测值较为吻合;既有盾构隧道竖向位移最大值处的隧道错台量接近0,在竖向位移曲线的反弯点处隧道错台量和环间剪切力值最大;随着新建隧道的掘进,既有隧道的竖向位移、错台量和环间剪力值不断增大,最后趋于稳定.     

近距侧穿高铁桥桩盾构施工影响规律及加固措施

依托西安地铁14号线盾构侧穿大西高速铁路特大桥群桩基础工程,采用三维有限元数值模拟、结合现场监测,对盾构施工近距离穿越超长群桩的影响及加固方案进行了研究。研究结果表明：盾构施工过程引的起前排桩桩体位移变化大于后排桩,竖向位移均为负值,且桩底沉降均大于桩顶,水平位移变化主要在隧道所在深度及以上区域,桩体最大弯矩和轴力均出现在隧道拱顶对应位置;无隔断、加固措施的工况下,桥台沉降最大值为4.19 mm,超过控制指标;提出的三种加固方案效果呈现以下规律：袖阀管注浆加固<钻孔灌注桩隔断<注浆+隔断桩+钢横撑综合加固,采用综合加固方案对桩身位移、内力优化效果最优,水平、竖向位移及轴力、弯矩分别减小65%、20%、80%、50%,并且桥台沉降最大值为1.47 mm,满足控制指标。     

蠕变作用下埋深对结构受荷特征影响分析——以广佛环线东环隧道工程为例

为研究在围岩蠕变作用下不同埋深软岩盾构隧道管片结构的受荷特性,以广佛环线东环隧道工程为背景,利用FLAC~(3D)(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)有限差分软件建立了数值分析模型,采用改进的黏弹塑性蠕变本构(burgers-creep viscoplastic model, CVISC),分析了埋深对管片的位移、内力及与围岩的接触压力影响。结果表明:隧道初期开挖之后,顶部围岩沉降,底部发生隆起,考虑围岩蠕变效应后,管片衬砌发生整体沉降,隧道埋深越大,管片体整体沉降越发显著;随隧道埋深的增大,弯矩、轴力与接触压力均逐渐增大。围岩未考虑加速蠕变下,蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同,有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。     

基于螺栓接头受力性能的盾尾注浆压力控制

对采用螺栓接头的管片,管片间接头主要靠两种效应,即端面摩擦效应及螺栓抗剪效应,来平衡注浆压力对管片接头的剪切,认为端面摩擦效应主要在管片发生相对位移前发生作用,之后则螺栓抗剪效应是主要的.通过引入等效空隙率替代土体本身的空隙率来考虑建筑间隙的影响,对盾尾注浆情况下因注浆而对管片造成的压力进行了理论推导,得到注浆对管片产生的压力计算式.结果表明:注浆对管片产生的压力,随注浆时间的增长、注浆压力的增大而增大.将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,据接头螺栓的剪切破坏条件来控制注浆压力和注浆时间,即在求得注浆压力产生的螺栓剪应力前提下,要求该剪应力小于螺栓的许用剪应力,从而实现对注浆压力及注浆时间的控制.     

盾构姿态变化对管片影响与控制研究及展望

大量盾构隧道工程实践表明,盾构姿态控制不良导致千斤顶对管片的偏心推力、盾壳对管片的挤压力、盾尾注浆对管片的不均匀压力等施工荷载是引起管片结构发生各种病害的主要原因.为了阐明盾构姿态变化对管片受力的影响及控制技术的应用现状,详细介绍了盾构姿态参数、测量方法及姿态变化过程,重点阐述了盾构姿态引起施工荷载的变化对管片结构影响的研究进展,并归纳施工各阶段盾构姿态的控制和纠偏技术措施,指出了现有研究的不足和尚需讨论的问题.建议研发高精度高智能化的自动导向系统,全面考虑姿态变化过程中的施工荷载,构建精细化管片模型和三维盾构姿态的动态模型,进一步探究姿态参数对盾构姿态的控制效应.     

盾构隧道施工对桩基变形与内力影响研究

本文针对隧道穿越桩基-框架结构工程算列,建立隧道-地基-桩-框架共同作用的数值模型。数值计算后得到了隧道穿越过程中桩的变形与内力的变化规律：盾构隧道施工对桩的影响区域可分为三个区域,盾构隧道施工对这个三个区域桩的位移、轴力和附加弯矩的影响均有明显的不同。     

盾构隧道同步注浆纵环向整体扩散理论模型

针对目前现有的盾尾同步注浆扩散模型以浆液纵环向流动相互独立为前提,未考虑浆液流动的关联性问题,基于Bingham流体本构模型和流体力学原理,分析盾构隧道同步注浆扩散模式机理,建立了盾尾同步注浆纵环向整体扩散理论模型。基于时空离散概念,设计求解该理论模型的数值算法。结合工程实例,对理论模型和数值算法进行了验证,并与现有的环向独立扩散模型计算结果进行对比和分析。分析结果表明:纵环向整体扩散模型相较于环向扩散模型,改进了假定条件,不需引入环饼厚度等敏感假定参数,更加贴近工程实际情况;浆液压力整体上呈现着上小下大重力主导的趋势,竖向梯度约为16 kPa·m~(-1),而在注浆孔附近局部区域浆液压力分布较为复杂,与注浆孔位、浆液流动方向以及注浆压力与环境压力之间的压力差等因素有关。