盾构隧道管片横向变形规律及影响因素分析

盾构隧道建成并承受外部荷载后,会发生显著的横向变形,较大的横向变形对结构安全产生的影响正得到工程界的高度重视。文章在引入弹塑性本构模型的基础上,通过三维有限元模拟,发现盾构隧道横向变形呈"椭圆化";总结不同指标临界状态对应的管片水平直径变化量,分别探讨埋深、土体侧压力系数、螺栓预紧力三种因素对盾构隧道横向变形的影响。结果表明,管片直径变化量ΔD可作为良好的衡量结构性能指标,管片结构水平直径变化量、接头最大张开量、混凝土最大应力、螺栓最大应力均随埋深的增大而显著增大,随土体侧压力系数的增大而显著减小,随螺栓预紧力的增大先减小、后逐渐趋于稳定。     

运营期大直径越江盾构隧道长期监测规律分析

以国内某大直径越江盾构隧道工程为背景,为探究运营期大直径越江隧道结构的变形、受力情况及稳定性,了解结构局部及整体的受力和变形规律,确保其整体稳定性及安全性,采用横断面、纵断面长期监测相结合的方法,通过布置在隧道不同横断面及纵断面的传感器,对隧道纵向差异沉降、横向水平位移变形、扭转变形进行监测,同时监测典型断面管片接缝张开度、钢筋应力、混凝土应变、水压力、温度等,通过对各项监测数据进行规律分析及安全指标评价,对隧道结构服役状态进行监控预警和状态评价,得到运营期大直径越江盾构隧道长期变形、受力及稳定性变化规律,确定盾构隧道在运营期的稳定性和安全性。     

地面出入式盾构隧道受力变形特性数值分析

地面出入式盾构隧道(GPST)是一种不需要工作井的新型盾构工法,在国内首次应用于南京地铁。盾构机从地面直接出发,隧道所受荷载与一般隧道有很大区别,传统的惯用法是否适用尚存疑问,因此需要进一步研究隧道的受力变形特性。本文以地面出入式盾构施工过程中出现的负覆土—零覆土—浅覆土工况作为研究对象,建立精细化隧道三维模型,分析隧道在不同覆土厚度工况下的受力变形规律,并获得相应的横向刚度折减系数。同时针对土体侧向土压力系数K₀进行参数分析,揭示不同地层条件下隧道收敛变形的变化规律。研究表明,横向刚度折减系数随覆土深度增加而增加,而且随着覆土厚度的增加,变形模式由“横鸭蛋”变为“竖鸭蛋”的临界K₀系数值逐渐增大。     

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。     

导洞-隔离桩体系工作机理研究与侧向变形分析

为了精确了解导洞-隔离桩结构体系在屏蔽隧道施工所造成的环境效应过程中的受力和变形规律,基于隧道开挖所致土体变形特点的研究,分析施工过程中导洞—隔离桩结构体系的受力特点。在此基础上,由导洞内侧(近隧道侧)土体位移与土体极限状态(朗肯被动土压力状态)时土体位移的比值,修正土体侧压力系数,使计算结果更趋近于真实状态。同时,采用梁和弹性地基梁模型模拟隔离桩的受力和变形特点,将导洞的支撑作用等效为一水平支座弹簧,通过导洞受力分析,计算弹簧刚度。利用两个分解的模型,分别模拟隧道台阶法施工中上、下导坑的开挖,再组合为整体效应。计算结果表明,隔离桩挠度理论值与实测值极为接近,二者差值上部略大于下部。由此可见,所采用的分析方法和理论模型能够精确地模拟导洞—隔离桩结构体系的工作状态,可用于类似工程中结构的设计。     

考虑降雨入渗的隧道变形及支护受力数值分析

隧道施工过程中,降雨入渗对隧道围岩变形及支护受力特性的影响较为显著。本文利用有限差分软件FLAC3D建立隧道数值分析模型,通过内置FISH语言将节点饱和度变量转化为单元变量,将基质吸力和土体强度参数随含水率变化关系嵌入数值模型中,实现了隧道围岩由于降雨入渗产生非饱和渗流过程的数值模拟。对不同降雨强度下土体含水率、基质吸力、隧道变形及初期支护受力随降雨历时的变化规律进行了分析。结果表明:随降雨历时增加,浸润锋线向隧道拱顶发展,此时拱顶沉降及初支衬砌受力均显著增大。当降雨强度较小时,隧道变形和支护受力随降雨强度增加变化明显;当降雨强度增大到土体饱和渗透系数后,隧道变形和支护受力随降雨强度变化较小并逐渐趋于稳定。     

复杂地下空间隧道开挖变形及受力数值模拟分析

北京五棵松地下停车库工程下穿1号线地铁横通道,施工中采用理论计算分析及数值模拟计算方法,选取岩土数值分析软件MIDAS GTS/NX,建立三维模型模拟横向通道开挖和支护结构施工的实际过程。从计算分析施工引起的隧道和已有结构的变形和受力结构得出了各结构的变形规律和受力规律,并指导和预测施工,对施工过程制订预案,保证施工安全有序的进行。     

浅埋暗挖隧道下穿岩溶施工方案优选

浅埋暗挖隧道下穿岩溶其具有较强的致灾性,致使如何保证施工安全越来越被重视。本文依托贵州两天窝隧道为工程背景,采用迈达斯GTS模拟了三维隧道开挖过程和隧道拱顶冒顶过程,对隧道上方冒顶土体的变形规律和隧道初支结构的受力特性进行了力学分析。研究表明:浅埋暗挖隧道在下穿岩溶过程中隧道上方土体变形较大,隧道开挖的爆破震动及落雨降低了土体的粘聚力,加剧了土体变形;对于隧道上方边坡段应进行放坡处理、施做永久性截水沟和进行注浆加固处理;隧道洞内坍塌部位采用粘性土回填并压实,超前支护并施做锁脚锚杆等处理措施;     

横穿滑坡变形区隧道受力变形规律及影响因素分析

横穿滑坡变形区的隧道受力十分不利,为研究滑坡推力作用下隧道的受力变形规律,首先,建立隧道与滑坡土体相互作用的弹性围岩–隧道结构梁模型,采用传递矩阵法推导内力和位移的传递矩阵计算式;然后,通过MATLAB编程,对隧道内力和位移分布特征以及重要参数的影响进行计算分析;最后,采用物理模型试验,验证理论计算结果的正确性。研究结果表明:(1)当隧道横穿滑体较长时,隧道中部一定范围内的内力几乎为0,隧道弯曲变形程度很小,主要表现为整体位移,主要受滑坡体内的法向地基系数、滑坡推力大小及其分布形式的影响;(2)滑床内的稳定岩土体对滑体内的隧道起到"锚固"作用,隧道与滑面交界附近范围内隧道受力变形状态最差,最易发生破坏;(3)物理模型试验得到的结果与理论计算结果相吻合,验证了理论计算方法及结果的正确性。     

地面卸载作用下软土大直径轨道交通盾构隧道结构变形预测

上海轨道交通L16采用外径为11.36 m的大直径盾构隧道,运营期邻近开挖卸载对大直径隧道的影响是隧道养护管理工作需要考虑的问题之一。借助有限元分析软件ABAQUS,建立包含内部结构的错缝拼装大直径轨道交通盾构隧道3D模型,计算分析隧道两侧土体对称开挖卸载工况下管片环的直径变形量、接缝张开量、中隔墙应力及石岩棉压缩量与土体开挖深度的关系。计算结果表明:模型每组拼装循环中的2个管片环受力变形基本一致;管片环整体变形呈"横鸭蛋"状;管片环变形与接缝变形在不同工况下达到规范规定的限值;中隔墙压应力的变化与石岩棉压缩量存在密切的关系。计算结果可为盾构隧道运营期的保护标准制订提供参考。     

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。     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

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。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

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。     

圆形基坑开挖引起下卧隧道三维变形机理研究

深基坑开挖引起的应力变化将不可避免地导致土体位移,进而对邻近隧道产生诸多的不利影响。然而,圆形基坑开挖引起下卧隧道三维变形机理的研究甚少。采用ABAQUS商业软件,开展系统的有限元仿真模拟研究了不同基坑开挖尺寸和隧道埋深比对下卧隧道三维变形机理的影响。研究表明:深基坑开挖引起的隧道横向弯曲应变最大值始终发生在隧道顶部,隧道上拱处的最大纵向弯曲应变是下拱处应变的2倍左右,隧道最大纵向弯曲应变明显小于最大横向弯曲应变。当基坑开挖直径达到7倍开挖深度时,基坑中心线下的隧道隆起和横向弯曲应变达到最大值。若忽视小直径基坑开挖的三维效应,隧道隆起和横向弯曲应变被大大高估。     

盾构管片横向大变形TRC控制方法及作用机制研究

 为有效控制盾构管片的横向变形,分析盾构隧道的加固特点和常用内表面加固方法存在的不足,提出纤维编织网增强混凝土(textile-reinforced concrete,TRC)控制方法。建立TRC加固层及界面模拟方法,并利用试验结果验证该方法的合理性,进一步采用数值手段研究隧道横向变形和顶拱接头张开量在不同地层刚度系数、加固时机、纤维编织网用量和加固层布置范围下的响应规律。在此基础上,结合管片的变形和内力规律,揭示TRC控制管片横向变形的作用机制。研究表明：TRC能有效控制隧道横向变形和顶拱接头张开量,地层刚度系数越小,控制效果越优异;加固前隧道已有变形会造成纤维编织网产生损失应变,已有变形越小,损失应变越小,控制效果越好;纤维编织网用量提高,控制效果增强,但纤维编织网利用率降低,因此增强趋势减弱;TRC加固层合理布置范围建议在顶拱反弯点间的受拉部位,在该范围内,加固层越长,控制效果越好。研究结果丰富了管片内表面加固方法,深化了内表面加固机制的认识,可为工程实践提供理论指导和技术支持。     

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。