新建盾构隧道纵向裂纹病害规律统计与数值分析

针对某地铁盾构隧道施工阶段管片大范围开裂、脱落等现象,对裂损病害进行现场调研,并深入分析危害最严重的纵向裂纹分布规律、裂损形态特征。在此基础上,建立扩展有限元数值模型,对纵向裂纹产生部位、外观形式、扩展规律、管片破坏形式进行探讨。研究表明:(1)施工阶段盾构隧道裂损可分为为纵向裂纹、拱顶脱落、边角部裂损三类,纵向裂纹是影响管片质量最主要因素;(2)纵向裂纹分为前裂纹和后裂纹,前裂纹比后裂纹数量多、波及范围广、病害程度深,是威胁隧道安全性及耐久性的最主要因素;(3)推力不均和推力过大是影响纵向裂纹产生的主要因素,管片破坏特征分别表现为剪切破坏、区域压溃破坏,推力过大在施工阶段对管片局部影响最大。     

施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析

研究目的:针对某地铁盾构隧道工程施工期管片衬砌结构大范围开裂及脱落现象,对管片裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度进行统计分析,以期探明多种施工因素影响下管片衬砌结构的裂损机理,从而为隧道维修养护提供参考。研究结论:(1)管片裂损按照所占比例由大到小依次为:拱顶脱落、纵向裂纹、边角部裂损,拱顶脱落及纵向裂纹是施工期影响管片质量的最主要因素,且管片裂损病害的主要致因包括不良千斤顶推力作用(推力过大和推力不均)、管片错台以及管片环间接触面不平整等因素;(2)纵向前裂纹数量更多、波及范围更广、病害程度更深,是威胁隧道结构承载力及耐久性的最主要病害形式;(3)拱顶脱落对隧道结构的纵向受力特性影响较大,但其发生、发展与管片结构榫槽设置有关,通过对管片参数的优化、调整能够有效降低这一管片病害的发生;(4)该研究对于盾构施工控制具有指导意义。     

千斤顶偏心荷载作用下盾构隧道管片裂纹扩展规律

盾构在穿越上软下硬复合地层时掘进姿态控制不佳,易出现千斤顶偏心,导致管片局部出现裂纹。基于扩展有限元理论,运用ABAQUS软件建立管片精细化三维模型,分析千斤顶向内、向外偏心时管片的裂纹形态、扩展规律和扩展路径。分析结果表明:初始裂纹出现在千斤顶偏心一侧的凸榫边缘,内弧面、外弧面、顶面与侧面均出现大范围网状裂纹;千斤顶向内弧面偏心时管片裂纹范围更广,数量更多,危害更严重;裂纹长度呈台阶递增,裂纹扩展可分为裂纹初始发展、裂纹协调发展、裂纹迅速发展3个阶段,在第3个阶段裂纹扩展最迅速,管片结构出现区域性破坏。     

盾构隧道拱顶背后空洞引起管片裂损机理研究

同步注浆不均则衬砌管片背后易形成不密实或者空洞,导致管片变形、裂损和掉块。针对这一问题,依托一地铁盾构隧道建立三维地层结构模型,采用扩展有限元法对拱顶背后空洞引起混凝土管片裂纹的应变及变形特性进行探究。研究结果表明:拱顶背后空洞范围对管片裂纹的分布位置、扩展方向、最终裂纹形状都有很大影响,管片最大位移出现在拱顶背后空洞范围的中心,且随着空洞范围的增大而增大。     

盾构隧道管片施工力学性能三维数值模拟研究

研究目的:施工阶段的管片外部荷载系统和力学性能与正常使用阶段相比均表现出较大差异,大量工程经验表明,管片在施工阶段破损的概率要远远高于正常使用阶段。本文通过建立考虑环、纵向接头不连续性的三维盾构隧道有限元模型,针对注浆压力、千斤顶推力以及拼装方式三个施工要素进行研究,拟为盾构施工提供合理的意见。研究结论:分析结果表明,在施工阶段,由于管片外部荷载沿隧道纵向有差异且接头存在非连续性,管片的力学性能沿隧道纵向存在较大差异,各环变形特征也不尽相同,与传统均值连续模型相比亦存在较大差异,注浆压力、千斤顶推力对施工阶段管片力学性能有较大影响,管片在错缝、通缝拼装条件下表现的力学性能存在较大差异,综合来看,错缝拼装结构相比通缝拼装具有更好的结构整体刚度。     

纵向裂纹对盾构隧道衬砌管片力学特性的影响

盾构隧道衬砌管片在施工与运营过程中容易产生纵向裂纹,对管片的承载能力有较大影响。本文依托成都地铁2号线牛王庙—牛市口区间盾构隧道,应用有限差分软件建立裂损管片壳-弹簧计算模型,分析裂纹数量与裂损程度对管片力学特性的影响。结果表明:纵向裂纹会导致其附近管片的内力比无裂纹时明显减小;存在多条裂纹(单一分块仅出现单条裂纹)时,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围并未产生叠加,在同一裂纹影响区单条裂纹与多条裂纹作用效果相近;随着裂损程度的增加,裂纹附近管片的内力逐渐降低,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围有所增加。     

盾构管片裂损成因分析及结构安全性评价

依托实际工程,通过现场调查、跟踪监测和数值模拟的方法,对盾构管片施工过程中出现裂损的成因以及裂损后管片结构的安全性进行具体分析。研究结果表明:依托工程中漏水漏沙等水土流失导致管片背后岩土体支撑减弱,是引起管片结构应力集中进而出现局部裂损的主要原因。经洞内外注浆加固处理和管片结构局部修复后,未见新的裂缝发展,各项监测指标亦趋于稳定,管片结构是安全的,且能够满足后续工序安全施工的需要。采取的应急处理措施是有效的,可为类似情况参考。     

大型水下盾构隧道管片衬砌结构配筋问题研究

以大型水下盾构隧道工程为背景,首先采用壳-弹簧计算模型分析运营期间管片衬砌结构的三维力学分布特征,并用相似模型试验对结论做初步验证,提出主筋优化分布的配筋措施,然后采用三维管片组合体模型分析施工期间在千斤顶推力作用下的管片内部应力分布规律,并与施工现场调查统计的管片裂缝进行印证,提出管片局部配筋措施.研究表明,大幅宽条件下,幅宽边缘部位的最大弯矩值明显大于幅宽中央,建议主筋沿幅宽采用中疏边密的阶梯状分布配筋率;施工期间的管片应力集中主要发生在靠近管片环缝边缘部位,建议将此区域设置成刚性较大的钢筋整体梁式骨架;千斤顶推力作用下,管片平均应力集中部位呈八字形分布而剪切应力集中部位呈剪刀状,建议按照应力走向配置局部加强钢筋.研究结论可为分析管片结构安全和合理优化管片结构配筋提供有实用价值的参考.     

新建与既有地铁隧道正交段施工力学行为研究

研究目的:以深圳地铁3号线盾构隧道下穿1号线既有隧道为工程背景,利用FLAC3D软件进行有限元数值模拟施工三维力学行为,探讨施工过程地层应力的变化幅度及影响范围、结构内力及结构安全性,提出确保新建隧道施工和既有隧道运营安全的措施和建议。研究结论:在施工阶段既有隧道附加应力的分布均为以下洞中心线为中心对称轴成左右对称状态,下洞施工过程中会引起既有隧道的沉降和附加应力的增大,目标面盾构隧道管片衬砌最大内力值的位置都在下洞两侧拱腰管片衬砌,应对上下两洞间的地层及时注浆进行加固。当施工结束时,目标面盾构隧道管片的主应力值达到最大。     

盾构法隧道施工期间管片裂损分布规律及原因分析

为了查明盾构法隧道施工期间管片裂损原因,以西安某地铁线盾构法隧道施工期间管片封顶块裂损现象为例,统计隧道管片裂损情况,分析隧道管片裂损分布规律。分析封顶块受力情况,判断隧道管片裂损原因;采用SolidWorks建立管片模型并导入ABAQUS软件,模拟计算管片和螺栓孔应力状态。分析结果表明：拱顶处管片裂损率最高,拱底次之,拱腰两侧最小。封顶块管片裂损率高,主要原因为管片间施加传力衬垫,导致管片间静摩擦力减小,在千斤顶油缸收缩过程中,封顶块管片容易产生相对位移,螺栓孔处受力较大,导致管片裂损。     

列车脱轨撞击下盾构隧道管片衬砌开裂与接头螺栓动力响应特性研究

建立盾构隧道非线性开裂三维有限元模型,研究时速200km列车脱轨撞击荷载作用下,盾构隧道管片衬砌裂缝的分布、大小、扩展过程以及接头螺栓的最大主应力、振动速度、振动加速度等动力响应特性。研究表明:在列车撞击下,管片衬砌开裂的位置主要集中在管片衬砌受撞击的中心区域及其附近纵向接缝部位;不同部位的裂缝扩展形态有差别,撞击中心区域的裂缝为贯穿性不规则曲线裂缝,纵向接缝部位的裂缝通常呈现直线裂缝或多段折线裂缝;撞击中心区域主裂缝的张开度与距撞击中心的距离有关,除撞击中心处以外,距撞击中心越近位置的裂缝其张开度越大;螺栓的最大主应力峰值、振动速度峰值均出现在荷载震荡作用阶段,而振动加速度峰值则出现在荷载峰值阶段,同一水平位置上位于撞击区域后侧的管片接头螺栓所受到的最大主应力、振动速度和振动加速度等动力响应总是大于前侧螺栓。     

曲线盾构隧道施工稳定性及致险水平研究

小曲率半径盾构隧道施工稳定性影响因素错综复杂,对不同评价指标的作用规律及致险等级差异显著。以济南厚冲洪积地层为地质条件,基于正交试验建立了5因素4水平6指标的小半径盾构施工稳定性综合评价体系,通过多影响因素的定量分析与定性评价,确定了其敏感性排序及致险水平等级。结果表明:隧道埋深与盾构直径对地层变形具有强烈致险作用,随埋深的增大,地表最大沉降值与沉降槽宽度呈线性递增;隧道曲率半径及千斤顶不平衡推力对曲线盾构地表沉降槽偏移与管片两侧差异变形影响显著,随曲率半径的增大,地表沉降峰值点偏移量与管片两侧变形差呈线性递减,管片最大拉应力呈二次函数递减。研究成果对曲线盾构隧道施工的参数评价及风险防控具有重要指导意义。     

新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

针对新建盾构隧道下穿施工时,对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题,应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术,建立三维非连续精细化数值模型,重点分析隧道正交下穿施工扰动下,既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明:新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉,表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著;纵缝接头变形以张开为主,环缝接头变形以错台为主,且同一环中拱顶处变形最大;环缝接头应力集中明显,靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值,局部裂损风险高;受下部开挖影响,上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。     

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

盾构隧道中管片结构纵向错台的研究

盾构隧道通缝拼装管片结构的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题,且由错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益突显,并直接影响到工程质量。以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值计算方法对盾构推进过程中管片错台进行分析,获得了管片结构错台发生及发展的变化规律。进一步探讨了盾构千斤顶的顶力对错台大小及发展规律的影响,为盾构施工中减小错台,提高施工精度和质量,以及盾构隧道设计施工提供参考。     

侧方基坑开挖对盾构隧道的影响研究

为了研究侧上方基坑放坡开挖对盾构隧道的影响,利用FLAC3D建立三维数值模型,模拟轨道交通侧方基坑开挖的施工全过程,从盾构管片内力及模型位移等角度分析基坑开挖对盾构隧道的影响,并将数值计算结果与现场观测数据进行对比。结果表明,随基坑开挖深度的不断增加,盾构管片及基坑边坡水平位移不断增大,当基坑开挖至坑底时,基坑中部位置处盾构管片变形最大,管片拱肩位置处水平位移最大(为5. 24 mm),拱顶最大竖向隆起为1. 01 mm,拱腰最小曲率半径达482 690 m,管片拱肩位置处存在压应力集中(最大压力为3. 58 MPa)。当基坑内部结构施工完成后,管片水平位移量减小。为减小基坑开挖对盾构隧道的影响,基坑开挖至坑底后应尽快施作内部结构,有利于控制盾构管片变形。     

盾构隧道管片结构纵向错台研究

盾构隧道通缝拼装管片结构的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题，且由错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益凸显，并直接影响到工程质量。以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景，采用现场监测和数值计算方法对盾构推进过程中管片错台进行分析，获得了管片结构错台发生及发展的变化规律。进一步探讨了盾构千斤顶的顶力对错台大小及发展规律的影响，为盾构施工中减小错台，提高施工精度和质量，以及盾构隧道设计施工提供依据。     

盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析

针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。研究结果表明:在盾构推进至距既有隧道边缘3 m前,隧道会发生隆起,且在此位置时隆起量最大,之后开始沉降,在盾构将要穿出既有隧道时,沉降增量最大;隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大,而沉降量与之相反;盾构下穿时,既有隧道结构横截面上会产生扭转,扭转角的大小随盾构推力增大而增大,随既有隧道刚度增大而减小。为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行,在距既有隧道边缘3 m时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。     

纵向残余顶推力对盾构隧道纵向刚度影响试验研究

针对盾构隧道纵向刚度影响因素复杂、客观存在的纵向残余顶推力常被忽略等问题，以南昌地铁盾构隧道管片环为原型设计1∶10的缩尺模型，按环缝连接接头位置的不同，分2组开展纵向残余顶推力对隧道纵向刚度影响的试验研究，并结合工程实际分析影响盾构隧道纵向刚度的若干因素。结果表明：横向受力相同时，不同于刚度均匀简支梁反演得到的纵向挠曲变形，模型盾构隧道实测得到的纵向挠曲变形表现出明显的非线性特性；盾构隧道残余顶推力对其纵向刚度影响显著，刚度增长与纵向预压力增加呈现非线性关系；在相同纵向预压力作用下，角码布设在与水平线呈45°位置时，模型管片环之间可能发生的剪切位移量更大；盾构隧道残余顶推力、隧道挠曲变形阶段、环缝连接螺栓数量与形式、管片环缝端部构造等均对盾构隧道纵向刚度产生影响；隧道纵向挠曲变形主要由环缝张开及管片环之间的剪切滑移2部分导致，且管片环之间的剪切滑移具有随机性。     

盾构隧道施工引起的地基土超孔压特性模拟与分析

考虑盾构机盾壳与自重、开挖面正面推力、盾尾空隙、千斤顶推力和同步注浆等因素,利用有限元软件模拟研究了盾构施工过程引起的周边土体超孔压,并与实测值进行对比分析,以此验证了模拟方法的可靠性。基于单层软土、中等埋深条件下的盾构施工有限元模拟,分析了超孔压随施工过程的分布特性。研究表明,施工过程中周边土体的超孔压变化明显,随着盾构机的推进先不断增大,盾构机头到达或盾尾脱出时达到最大,盾构机离开后又逐渐减小。软土层中125 d后隧道四周超孔压的衰减率约为92%。