斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变形的影响

盾构隧道管片接头的性能对衬砌环的受力和变形有很大影响,尤其在软土地区,接头变形过大会造成渗水和漏泥等危害。以盾构隧道复合管片斜螺栓接头为研究对象,基于实际隧道工程,利用ABAQUS建立了复合管片及斜螺栓的三维实体模型,对管片环向斜螺栓接头在荷载作用下的受力及变形规律进行研究,分析不同等级普通螺栓和高强螺栓对接头错台量和张开量以及斜螺栓应力应变的影响。分析结果表明:斜螺栓接头承受正弯矩的能力优于负弯矩;采用高强螺栓能够有效的减小接头张开量,增大接头刚度,从而减小渗漏现象;弯矩较大时,螺栓等级越高,高强螺栓对错台量的控制越好;同样荷载条件下,高强螺栓应力大于普通螺栓,但应变较小,等级越高应变越小。     

纤维编织网增强混凝土加固隧道衬砌数值研究

为了克服隧道衬砌内表面常用补强方法的不足,探索纤维编织网增强混凝土(Textile-reinforced concrete,TRC)加固隧道衬砌的适用性。开展界面黏结试验,分析TRC加固隧道衬砌的界面应力分布规律,在此基础上建立TRC加固隧道衬砌的合理数值模型并开展加固参数优化分析。结果表明:TRC加固隧道衬砌的最大界面应力出现在加固层端部,并沿着加固层迅速降低;TRC适合加固处于大偏心受压的衬砌截面,偏心距越大,增强效果越明显;采用提高纤维编织网用量的方法在一定程度上可以增强加固效果,但是增强趋势呈现出减弱趋势;隧道衬砌前期受力对加固效果存在负面影响,前期受力越大,加固效果越弱;采用TRC抑制衬砌张拉裂缝扩展的效果优异。     

软土盾构隧道横向大变形侧向注浆控制机理研究

注浆是治理软土盾构隧道横向变形等隧道病害经常采用的方法。提出了采用注浆引起的土体体积应变模拟隧道注浆效果的方法,并利用上海地铁隧道注浆加固实践验证了该方法的合理性。利用该方法,以注浆引起的隧道横向收敛、接头张开和错台变化为指标,分析了隧道侧向注浆对隧道横向变形的影响规律,揭示了注浆对隧道横向变形的作用机理;研究了注浆量和注浆范围对注浆加固效果的影响规律。研究发现,注浆能有效改善隧道横向收敛、减小接头张开量。在注浆初期,注浆对隧道横向变形的影响以管片转动为主,该阶段隧道接头张开量减小显著,而隧道收敛减小则相对缓慢;随注浆量的增加,注浆引起的管片运动以刚体平动位移为主,该阶段隧道横向收敛显著减小,但注浆引起的接头错台量和隧道侧向位移则不断增加。最后,以上海地铁隧道为背景,对注浆量和注浆加固范围提出了优化建议。     

盾构隧道复合管片环向直螺栓接头抗弯性能的影响因素研究

基于现有地铁盾构隧道衬砌结构建立了复合管片及环向直螺栓接头的三维精细化数值模型,采用有限元对地铁盾构隧道复合管片直螺栓接头的力学性能进行了数值模拟计算。针对复合管片的直螺栓接头,分别研究了螺栓预紧力、复合管片钢壳厚度、荷载组合等对张开量和抗弯性能的影响,探讨了管片及接头的应力分布,并进一步总结了各因素对直螺栓接头抗弯性能的影响,为确定复合管片环向直螺栓接头的抗弯刚度提供了新的参考。数值计算结果表明:复合管片直螺栓接头的抗弯刚度随着外荷载的变化而变化,并表现出明显的非线性;相同的荷载条件下,复合管片钢壳越厚,螺栓应力越低,接头张开量越小;采用不同等级螺栓时,接头弯矩值较低时管片接头张开量差别较小,弯矩值较高时螺栓接头抗弯刚度与螺栓等级呈现出较大的相关性,即螺栓等级越高,接头张开量越小。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

盾构隧道纵向接头局部足尺试验研究

沿盾构隧道纵向,管片环与管片环之间的接头称之为纵向接头。纵向接头是变形的薄弱部位,在变形过程中受到相邻管片的约束,其受力特点与管片接头不同。文章首先采用数值模拟方法,研究纵向接头局部试验的可行性,然后开展纵向接头局部足尺试验,研究接头的受力变形特征,所得结论如下：对纵向接头进行分析时,对比整环模型及纵向等效刚度梁模型计算结果,两者接头张开量、螺栓应力相差在11%以内,管片结构塑性损伤区分布特征基本一致,故纵向等效刚度梁模型可作为纵向接头局部足尺试验的依据;纵向接头局部足尺试验时,纵向接头张开量的变化对轴力更加敏感,螺栓应变增长与环间力(轴力、弯矩)的增加基本保持一致。接缝转角在环间拉力下趋近于0,且追随环间弯矩的变化;各工况中构件表面混凝土最大拉应变出现在套筒侧管片外表面中部,最大压变出现在手孔侧管片的内表面。破坏试验中,纵向拉力3232kN时管片结构先于螺栓破坏,此时螺栓未达屈服强度。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

盾构隧道先隧后井工法对管片张开量影响的研究

为了研究盾构工程先隧后井施工法对盾构管片张开量的影响,在不易实测及不能通过试验获取的前提下,采用大型有限元分析软件对盾构施工过程进行三维弹塑性数值模拟,结合典型工程实例,分析先隧后井施工引起的管片张开量及其主要影响范围;分别探讨土体力学性质、土层局部加固及地下水位对管片张开量的影响。计算结果表明:先隧后井施工法引起管片张开,影响范围主要体现在距离工作井连续墙5环管片长度内,施工防渗分析可着重考虑近工作井4个接头处。管片张开量随着土层刚度的增大而减小,但不受土体强度指标的影响。对于先隧后井盾构施工可通过局部加固来有效地减小管片的张开量,进而防止渗漏。管片以上地层水位的存在对工作井相邻5环管片张开量影响显著,但水位的高低对张开量影响很小。建议采用先隧后井盾构施工时,对邻近连续墙5环管片长度范围内进行局部加固,以确保隧道施工运营安全。     

基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法

 盾构隧道横断面收敛变形是评价隧道结构性态的重要指标。由预制管片拼装而成的盾构隧道,接头刚度显著低于管片刚度,因此,其横断面变形主要集中在接头张开及管片转动部位。针对盾构隧道横断面变形特点,提出考虑分布式光纤传感技术空间分辨率的点式固定方法,测量相邻管片接头两侧的相对位移。运用几何学原理,对管片接头张开、管片转动及隧道变形进行分析。通过2组不同轴力下的盾构隧道接头室内原型试验验证该方法,结果表明该方法可以有效感知盾构隧道横断面变形。采用该方法长距离布设光纤,可形成盾构隧道变形感知神经网络,提高监测密度,实现长距离、高密度、高精度、低成本的盾构隧道变形健康监测,从而保证地铁隧道的运营安全。     

用于纤维编织网增强混凝土的早强基体材料

为实现纤维编织网增强混凝土(textile-reinforced concrete,TRC)快速加固盾构隧道的目的,开发了一种用于TRC的磷酸无机复合类早强型基体材料.通过单轴压缩、坍落流动度、界面拉伸和剪切试验,对比分析了这种早强型基体材料与TRC传统基体材料——精细混凝土的工作性能;采用扫描电镜分析了其作用机理,并提出了力学作用模型.结果表明:与精细混凝土相比,早强型基体材料具有更优异的自密实、黏结以及渗透纤维编织网的能力;采用早强型基体材料的TRC加固方法可实现快速加固,在2h内即可发挥加固作用,具有广泛的应用前景.     

纤维束编织网增强混凝土加固钢筋混凝土梁疲劳破坏试验研究

为研究纤维束编织网增强混凝土加固钢筋混凝土梁的疲劳性能,首先制作10根钢筋混凝土梁试件,并对其中的9根用纤维束编织网增强混凝土进行加固,1根作为对比梁未进行加固,然后采用三分点弯曲加载对试件施加疲劳荷载。试验研究了加固方式、配网率、配筋率、损伤程度等4个因素对加固梁的疲劳裂缝扩展及变形发展的影响。试验结果发现：纤维束编织网增强混凝土加固可以显著提高RC梁的受弯疲劳寿命。加固梁的裂缝数量多于非加固梁,裂缝宽度小于非加固梁。在疲劳荷载作用下,加固梁的裂缝及挠度发展都呈现初始发展、稳定发展、迅速发展三个阶段。针对加固形式,三面加固对斜裂缝的控制优于单面加固。加固前的静力损伤会影响加固梁的裂缝宽度,静力损伤越大,疲劳加载时的裂缝宽度越宽。配网率会影响加固梁最终破坏时的挠度,当配网率大于某一值时,加固梁最后破坏时的挠度明显增加;配筋率的增加可以延长挠度的稳定发展阶段。最后通过回归分析,得到了加固梁的疲劳刚度的算式,由该式计算的结果与试验结果符合良好,可为工程使用提供理论依据。     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

环向螺栓锈蚀对盾构隧道承载性能的影响

针对管片环向螺栓受水、杂散电流等锈蚀作用,引起盾构隧道结构承载性能下降的问题,通过建立能够体现环向螺栓锈蚀的三维盾构隧道精细化有限元模型,探讨了0%、3%、5%、10% 4种锈蚀率下,盾构隧道结构的收敛变形、纵缝张开、螺栓应力等变化规律。研究结果表明:(1)随螺栓锈蚀加深,盾构隧道结构收敛变形与纵缝张开均明显增加,其中,拱腰处纵缝张开受高锈蚀率(10%)影响最为显著,相比于未锈蚀,张开量增加接近一倍;(2)拱顶和拱底螺栓随锈蚀率增加,其屈服前应力水平提高并更早进入屈服阶段;(3)拱腰螺栓随锈蚀率增加,其全过程中应力水平均有所提高。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

越江盾构隧道纵缝张开与收敛变形响应关系

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况,是影响地铁正常运营的重要因素。依托南京扬子江大断面盾构隧道,建立了单环管片精细化数值模型,以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性,研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。结果表明：(1)纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素,管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态;(2)对于大变形情况(>8‰D),不建议将提高螺栓预紧力作为控制收敛的主要手段;(3)得到的“纵缝张开-收敛变形”拟合公式,可用于估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。