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.     

盾构隧道管片接头的易损性分析和评价

管片接头是盾构隧道结构力学性能的薄弱和关键部位.从抗弯、抗剪及抗渗三个方面,提出接头易损性评价方法.在轴力、弯矩和剪力作用下,考虑接头自身健康状况,并以混凝土、螺栓的应力状况和渗漏水作为评价指标,建立接头易损性评价模型.建立管片接头力学解析模型,分析接头的力学响应,并建立管片接头三维有限元精细化模型,对比验证解析模型的正确性.通过蒙特卡洛计算,获得大量计算样本,并在此基础上构建管片接头易损性的贝叶斯网络.根据接头易损性贝叶斯网络,分析接头易损性,并结合现场监测,反分析盾构隧道管片接头的健康状况,更新接头易损性预测,指导盾构隧道的正常运营维护.     

盾构隧道管片内力特性分析和管片配筋设计

为探究隧道管片在地层作用下承受的内力,分别采用解析法和有限元方法对盾构隧道管片的内力分布特性进行了模拟分析,并且对两种计算方法得到的混凝土管片内力分布特性进行了比较分析.计算结果表明:有限元方法得到的管片内力分布与解析方法得到的结果相同,但在最危险的位置有限元法得出的结果偏大30%.根据有限元模拟分析得到的最大弯矩和最大轴力以及混凝土结构设计规范,完成了盾构隧道管片配筋设计.     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明:取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45～4.23 kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果研究

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,本文通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明：取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45kN~4.23kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

基于线激光传感器的盾构管片位姿检测方法

针对盾构管片初始摆放误差与拼装累积误差问题,提出一种新的管片位姿检测方案。该方案无须在管片上添加额外标记点,利用安装在管片拼装机器人上的3个线激光传感器对管片边缘进行扫描,根据边缘点的相对位置坐标计算管片上特征点的坐标,并依此推导出待安装管片的抓取位姿和安装位姿表达式。使用SolidWorks软件建立三维模型以提供算例,比较不同检测点位置对位姿计算精度的影响,验证该方案的可行性。研究结果表明:本文提供方案计算得到的管片位姿误差较小,可以满足盾构管片抓取和安装要求;增大管片边缘扫描点的距离能够提高姿态检测精度。     

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.     

盾构隧道施工中材料性态的模拟

移动盾构隧道施工中注浆材料、衬砌管片接头等的特性分别提出模拟方法,然后将建立的盾构隧道施工模拟的有限元程序应用竽日本大阪地铁７号线盾构隧道施工的力学分析中,并将计算结果与现场量测值进行了比较。     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形;并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

复杂软土盾构隧道横断面抗震时程分析

为研究复杂软土场地中盾构隧道的地震响应,以天津Z2线一期工程为例,结合地质勘察报告和地震安全性评价报告,建立复杂软土场地中盾构隧道横断面抗震计算的ABAQUS模型,并编制了用于土体材料参数非线性迭代的Python程序.计算模型边界采用黏弹性边界,地震动采用等效结点力的形式输入,土体材料的非线性采用等价线性方法考虑,混凝土材料采用塑性损伤模型.计算并提取了隧道管片弯矩最大时刻对应的管片内力,分析了安评地震波作用下的盾构管片横截面内力响应特征.研究表明,小震和中震作用下管片受到的静力荷载起主要控制作用,大震的地震作用对管片内力分布形式具有较大的影响;初始地应力对盾构管片内力大小和分布具有重要影响;在初始地应力和地震联合作用下,盾构管片的最大正弯矩出现在拱底邻近位置,最大负弯矩出现在两侧拱腰邻近位置;盾构管片设计时应当加强对两侧拱腰、拱顶和拱底的构造措施.     

基于FLAC3D的砂质淤泥质土层地铁施工影响因素分析

为分析叠交地铁施工中既有隧道变形的影响因素,依托苏州市轨道交通S1线工程S1-TS-05标段,针对在砂质淤泥质土层中盾构上穿施工导致的既有隧道的沉降与变形,采用数值模拟方法分析隧道几何参数、空间位置、地层参数等因素对既有隧道的影响,结合现场监测验证数值计算的准确性。研究结果表明：在砂质淤泥质土层盾构上穿施工中,既有隧道的位移和管片变形以竖向沉降为主,且沉降量随着盾构直径的增大而增大,随着覆土层厚度、新旧隧道净距、下穿角度,以及地层弹性模量的增大而减小。现场监测数据与模拟结果较为吻合,既有隧道位移与距叠交中心距离呈负相关关系。研究结论可为同类型地层条件下叠交地铁隧道盾构施工变形控制提供参考。     

基于倾角反演的隧道断面变形全方位监测方法

倾角传感器具有体积小、使用方便、测量连续等优点,在隧道变形监测领域有着巨大应用潜力,然而,现有基于倾角传感器的监测方法往往只能得到特定监测点的变形,在测量隧道断面整体变形方面还存在明显不足。为此,提出一种新的基于监测点倾角的隧道断面变形全方位监测方法。基于隧道断面曲线的形状特征,构造隧道分段变形插值函数,根据极坐标下隧道倾角与极径的关系,采用分段解析方法提出隧道倾角-变形数学模型,进一步通过协同变形假定,修正隧道测点极角,得到隧道倾角-变形算法;接着,建立隧道三维数值模型,通过均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载3种典型工况,采用误差分析方法分别研究算法的适用性;最后,通过室内试验进一步验证算法在实际应用中的准确性。研究结果表明：对于铁路隧道典型三心圆断面,推导的倾角-变形算法在均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载这3种典型工况下均具有良好的适应性,变形最大绝对误差均小于1 mm,平均相对误差均小于7%;在室内模型试验中,拱顶沉降监测误差小于8%,水平收敛监测误差小于5%,证明了监测方法的准确性。     

冻土单轴抗压试验研究及盾构始发冻结优化设计

为保证浅埋深富水软弱地层的盾构隧道安全始发,采用人工冻结法进行端头加固。通过在室内进行冻土单轴抗压试验,得到可靠的冻土力学参数,并采用正交试验的方法分析冻结深度、冻结宽度和冻结温度对地表沉降和管片拱顶沉降的影响规律和影响程度,选取确定最优冻结加固方案。结果表明：土体冻结温度越低,抗压强度越大;对地表沉降和管片拱顶沉降的影响排序为冻结深度>冻结宽度>冻结温度;最优冻结方案为冻结宽度6m,冻结深度15m,冻结温度-20℃。     

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。     

盾构隧道管片结构承载能力评估方法研究

承载性能是盾构隧道管片衬砌结构重要的力学特性之一，其准确评估是保障结构受力安全的关键，然而目前尚无成熟的评价方法。首先基于管片衬砌结构中管片和管片接头的受力及变形特征，建立了基于管片承载力和管片接头承载力的管片衬砌结构承载性能评估方法，提出了管片衬砌结构承载性能评估指标，然后分别开展了单环和组合环管片衬砌结构破坏加载原型试验对所提出的方法进行检验，最后结合现场实测对实际工程中管片衬砌结构的承载状态进行了定量评估和分析。研究结果表明：单环结构破坏试验中，管片接头破坏现象更为明显，其先于管片达到抗弯承载力极限值，组合环结构破坏试验中，管片破坏现象更为明显，其先于管片接头达到抗弯承载力极限值；单环和组合环管片结构试验中，结构破坏与理论计算方法中管片或接头达到承载力极限的荷载一致，表明所提出的结构承载状态评估方法是合理的；所选取监测断面管片结构中管片和接头的承载安全系数分别为4.27和4.86，可见其承载状态良好。该研究方法和结论可为类似盾构隧道管片结构承载安全评估提供重要支撑。     

泥质砂岩地层盾构隧道管片连续上浮规律与分析

为了得到施工期盾构隧道管片的连续上浮规律,基于连通器原理设计一套管片竖向位移连续监测装置,依托华东某泥质砂岩地层盾构隧道进行现场实测研究。研究结果表明：管片在脱出盾尾前12 h内呈现出“阶梯状”上浮的规律,即上浮主要发生在盾构掘进期间,而在待机期间管片上浮趋势逐渐减缓,直至停止上浮。最大上浮速率可达0.2 cm/min,主要发生在掘进期间,最大下降速率为0.15 cm/min。管片上浮增量与时间仅呈中等相关或弱相关的关系,而与所处的位置呈强相关或极强相关的关系。掘进期间,上浮增量累计占比为76.9%,是待机期间的3.3倍。     

曲线并行盾构隧道施工控制研究

借鉴日本东京都一急曲线盾构隧道工程顺利实施的应对措施,依托珠海城际轨道交通工程,重点分析采取缩短盾构机长度的措施对曲线并行盾构隧道施工的控制效果.在ABAQUS中建立三维面面接触以模拟管片环间的相互作用,建立纵向螺栓与管片间的特定约束以模拟斜螺栓的安装,实现了可考虑楔形管片环缝接头特性的曲线并行盾构隧道掘进精细化模拟....     

基于断层影响双护盾TBM隧道稳定性分析及加固措施研究

以深圳地铁双护盾TBM工法隧道工程为依托,基于MIDAS/GTS NX有限元软件,采用摩尔库伦弹塑性模型,根据刚度折减法建立三维数值模型,分析断层不良地质对隧道稳定性的影响,并与隧道净空收敛现场监测结果进行对比分析,研究验证了数值模型和计算参数的正确性,得到了断层对隧道结构竖向位移影响范围为断层前后1.15D,最大位移值为2.878 mm.对隧道结构水平位移影响主要在断层区域,最大收敛值为5.611 mm.管片应力主要为压应力,最大主应力顺序为拱底边墙拱顶,最小主应力顺序为拱顶边墙拱底.并根据研究结果针对断层不良地质提出几点加固施工措施,确保双护盾TBM顺利施工.     

不同埋深下大直径盾构隧道横向刚度有效率

盾构隧道衬砌结构整体性能受到纵缝及环缝接头不连续性的影响,接头受力状态随埋深变化发生改变,其刚度也将发生变化,进而引起结构整体刚度的改变,对于大直径深埋盾构隧道这一影响更为突出.基于该问题,以上海沿江通道越江隧道典型衬砌结构为例,采用横向变形等效原则,参考管片接头结构试验结果,研究大直径盾构隧道横向等效刚度随埋深而变化的规律,并考察了地基刚度与错缝拼装对于计算结果的影响.结果表明,大直径盾构隧道的横向刚度有效率与埋深有较大关联,覆土较浅时变化规律相对复杂,覆土厚度超过1.0倍直径后随埋深整体上呈现先递增而后递减的趋势,在埋深达到2.0倍直径后由于地层成拱效应不再继续降低,上述规律还受到地层条件的影响.研究成果对于大直径盾构隧道的设计与计算具有一定的参考价值.     

盾构隧道大修结构服役性能评价及跨尺度模拟

以延安东路越江隧道大修工程为背景,综合资料调研、现场检测以及成因分析、性能评估,提出了盾构隧道大修结构评估原则、流程与方法.基于环境、材料、构件及结构多层次评价指标体系,建立了盾构隧道大修结构区段整体性能评估方法及流程.重点针对结构收敛过大特殊区段,综合随机格构理论及Diana分析软件,提出了以材料-管片-隧道结构为主体的跨尺度模拟方法.分析了盾构隧道在不同收敛变形条件下衬砌结构开裂特征及变化规律,并提出了盾构隧道收敛变形指标.