盾构隧道衬砌结构小角度斜穿地裂缝的破坏机理

从西安地铁1 #线工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的物理模型试验管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明:盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的变形破坏模式为剪切变形为主,局部有扭转变形;结构破坏范围为上盘1.25D,下盘0.75D(D为管片环外径);管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱底位错量大于拱顶和拱腰,拱底最大位错量达40 mm(0.033D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.1667 D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境     

侧部松动情况下盾构隧道横向变形特征研究

邻近隧道的基坑开挖、邻近隧道水土流失或隧道自身的水土流失均可导致隧道周围局部或者大范围的土体松动,并引起已有隧道周围土体应力的变化,以致改变隧道横向受力模式,影响隧道的结构安全.首先对一工程实例进行了详细介绍,在此基础上采用有限元数值方法研究了隧道侧部不同松动角度、不同松动程度下隧道横向承载能力和隧道结构形态的变化模式,揭示了隧道灾害发展过程中隧道管片混凝土应力、接头处螺栓应力以及管片接头张开量等指标达到临界值的先后规律.研究结果表明,隧道侧部松动首先导致隧道腰部接头内侧混凝土受压剥落,隧道竖向收敛值达到0.5%D(D为隧道外径),进而顶部接头螺栓受拉屈服以致断裂.     

深埋排水盾构隧道接头铸铁件力学性能试验

为研究适用于深埋排水盾构隧道的高刚性管片接头铸铁件,对2种型式的高刚性盾构管片接头开展了正弯矩试验,分析了不同型式铸铁件的力学性能及高刚性接头的破坏模式.研究表明,高刚性接头在正弯矩承载时的破坏模式与大偏压受力截面类似,首先螺栓或铸铁件屈服,随后受压区混凝土压碎、接头破坏.若接头铸铁件刚度充足,接头破坏时铸铁件无变形、螺栓屈服,接头承载力较高,且铸铁件锚筋全部受拉,锚筋的锚固作用得以充分发挥;若接头铸铁件刚度不足,接头破坏时铸铁件变形5mm、螺栓未屈服,接头承载力较低,且铸铁件锚筋部分受拉、部分受压,锚筋的锚固作用未能充分发挥.     

地铁盾构隧道30°斜穿地裂缝的物理模拟试验

为了研究30°斜穿地裂缝的盾构隧道管片衬砌结构在地裂缝影响下的变形破坏模式和影响规律,从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构模型试验的相似常数,对模型混凝土、模型钢筋、结构围岩、模型管片及其连接螺栓参数等进行了设计.该结构模型试验能对结构钢筋、混凝土进行应变测量,对结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形等进行观测.借助地基沉降试验平台,通过自锁式千斤顶的缓慢下降,实现对地裂缝上盘相对下降的模拟,地裂缝的活动速率和错动量通过工控机控制自锁式千斤顶的运行速率和行程来实现.试验结果表明:该试验设计满足地裂缝活动下30°斜交盾构隧道管片衬砌结构变形破坏模式和破坏范围研究的需要,能实现模型试验目标;地基沉降试验平台能较好地模拟地裂缝的活动.     

裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响

为研究裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响,依托国内某地铁越江盾构隧道工程,采用相似模型试验的方法,考虑既有裂缝位于拱顶、拱腰及拱底的3种裂损工况,分析了管片衬砌结构的变形特性、承载性能及破坏模式.结果表明,裂缝的存在降低了结构的整体刚度,改变了管片衬砌的结构体系,在相同荷载条件下,带裂缝管片衬砌结构的变形量显著增加,临界失稳点的椭圆扁平率明显增大,破损区域内力大幅减小,且极限承载能力均降低2个荷载级别.带裂缝管片衬砌结构破坏模式由结构性破坏转变为裂缝导向性破坏,裂缝位于拱腰时管片衬砌结构较早出现损伤破坏,但损伤破坏发展过程较平缓,而裂缝位于拱顶及拱底时损伤破坏愈趋突发性破坏.     

逆断层粘滑错动对公路隧道影响的试验研究

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.     

大跨度卸载对下卧盾构隧道影响的数值分析

结合哈大客专沈阳站房改造工程研究了大跨度卸载对下卧既有盾构隧道管片及接头的影响.为准确反映管片环向接头在附加荷载作用下的张开、错位等情况,基于Flac3D建立三维模型,运用嵌入式梁单元模拟了螺栓接头,并针对实际工程中坑底堆载保护措施进行了数值计算.结果表明,既有隧道在2倍卸载宽度范围内发生隆起变形,最大隆起量为1593mm,最小纵向曲率半径为28248m,并且管片环向接头在附加荷载作用下产生的错位量及张开量分别为067,137mm,各项控制指标均满足工程要求.表明坑底堆载措施能保证盾构管片及接头在上部基坑施工期间的安全性.     

基坑开挖对下卧盾构隧道的影响风险分析

目的研究基坑开挖对邻近既有下卧盾构隧道结构产生的附加应力及不均匀变形,为施工阶段既有隧道的风险评估及控制措施提供参考.方法以哈大客专沈阳站房改造工程为背景,探讨了基坑开挖卸载对下卧盾构隧道造成的主要风险因素及盾构管片破坏的类型,针对土体力学参数的空间变异性及随机性引入蒙特卡洛模拟与三维有限元相结合的方法对衬砌结构的风险事故发生概率进行定量分析.结果基坑开挖卸载之后,隧道横向位移及管片最大压应力超出规定值的概率均为0;上抬变形量及管片最大拉应力超出规定值概率分别为39.8%、2.29%.多种因素下盾构管片总失效概率为41.18%.结论基坑开挖方法要遵循减少单次卸荷量及隧道穿越跨度的原则,并且开挖后应尽量减少基坑的放置时间.     

盾构隧道联络道爆破施工优化

针对盾构隧道间联络道爆破对既有盾构隧道结构造成的不良影响,对隧道的爆破施工方案进行优化,并利用有限元数值模拟软件建立数值模型,分析不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响.模拟结果表明:当联络道掌子面与管片距离为0时,在隧道管片上出现较高的应力集中,盾构隧道管片是极不稳定的;将桶形掏槽调整为渐进式螺旋掏槽,并增加崩落眼的延时间隔数量,主应力值降低较明显,最大降幅63.45％,开挖轮廓内外的螺栓应力分别降低了77.23％、72.36％,降低后的应力均小于螺栓的屈服强度.位移仅为2.6mm,较优化前降低了27.78％,由此可知此时管片是安全的.     

偏心堆载作用下盾构隧道横断面变形规律及其控制限值

基于修正惯用法,计算偏心堆载作用下隧道衬砌环的围压,采用MIDAS/GTS NX软件建立单环管片环的三维有限元模型,计算围压作用下管片环的横向变形及内力情况;提出采用椭圆度作为评价隧道结构变形的评价指标。研究结果表明:在偏心堆载作用下,盾构隧道结构呈现"斜椭圆"变形,在椭圆长轴两端隧道内侧发生挤压的现象,混凝土的应力较大。由于应力集中,管片与管片的接缝处的应力较大;椭圆度同时适用于对称和偏心堆载情况下的安全状态评价,混凝土和螺栓最大应力都随着椭圆度增大而增大,近似呈线性关系。当达到混凝土的屈服应力时,混凝土发生破坏,混凝土最大应力不变,螺栓最大应力增长变快,螺栓最大应力-椭圆度曲线斜率变大。