纵向力对盾构隧道管片结构内力分配机制的影响分析——以苏通GIL电力管廊隧道工程为例

为探明施工过程中,不同纵向力及竖向荷载作用下,中间管片与两侧持环管片结构位移与内力分配的变化规律,以苏通GIL电力管廊隧道工程为背景,采用有限元方法建立局部错缝拼装管片结构模型,对目标管片在拱顶位置受拱顶竖向均布力荷载作用下弯矩与位移的分配规律进行研究,引入环间位移分配系数与弯矩分配系数揭示在不同纵向力作用下目标管片环间弯矩与位移的分配规律,揭示纵向力与环缝接缝张开量的对应关系,探明错缝拼装管片结构弯矩与位移的分配机制。结果表明:1)纵向力能够增加管片结构弯矩与位移的分配能力,有利于结构整体受力以及位移的整体协调性,其对结构内力分配的影响表现为非线性及阶段性,即当环间不产生接缝张开时,纵向力的增加对结构整体性影响较小;当环间产生张开量时,纵向力的增加在一定程度上增强了管片变形及内力的分配能力。2)纵向力使目标管片与两侧管片环缝完全接触,此时控制内力分配的主要因素为环缝接触面;直观控制因素为环缝张开量与错台量,随着环缝的张开,局部结构内力逐渐由通过接缝面传递变为通过凹凸榫传递,同时结构整体内力分配能力降低。3)常规荷载作用下,随着竖向拱顶荷载增加,当环缝凹凸榫接触后,结构内力的分配逐渐趋于某一稳定值。4)实际工程中出现纵向力损失后,由于内力的重新分配,结构会出现局部位置应力集中情况,需针对该实际工况予以特殊考虑。     

超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析

介绍了三车道公路超大断面越江盾构隧道结构的详细设计过程,包括内净空布置、衬砌结构形式与厚度、管片分块和幅宽以及拼装方式等;采用梁-弹簧模型模拟管片衬砌结构,并借助于有限元数值模拟方法进行了隧道结构的力学特性分析。结果表明:在不同的拼装方式下,管片衬砌结构的力学特性是不相同的;通缝拼装时,管片结构的变形较大,弯矩最小;错缝拼装则相反,轴力变化不大;同是错缝拼装,随着K块位置的不同,其力学特征也不相同。     

纵向力对带榫管片环缝剪切破坏机制影响研究

为明确带榫管片环缝剪切受力机制及剪切受力过程中纵向力对管片结构环间接缝抗剪性能的影响,采用苏通GIL （Gas Isolated Line）综合管廊工程所用带有分布式凹凸榫的原型管片衬砌,通过局部原型试验,对带榫管片结构在考虑不同纵向力作用下的受荷过程中环间螺栓应力、环间分布式凹凸榫表面应力、环缝张开量进行了研究。结果表明：①不同纵向力作用下带榫管片结构环缝剪切受力机制不同,纵向力较小时环缝凸榫受力破坏方式为多次的凸榫混凝土冲削损伤破坏,而纵向力较大时环缝凸榫破坏方式为单次的混凝土剪切破坏,凹凸榫之间形成剪切破坏面。②不同纵向力作用下带榫管片结构环缝凹凸榫破坏最严重位置均靠近纵向接头处,为中间凸榫;两侧凸榫损伤程度较弱,纵向力较小时两侧凸榫损伤程度高于纵向力较高时。③环间纵向力的增加有助于提高带榫管片结构环缝的抗剪能力,可使凸榫均匀受力,同时降低凸榫的损伤程度,避免局部区域环缝接头与凸榫表面的应力集中;实际工程中可通过螺栓复紧等方式保持环间纵向力。④对于环缝张开量的控制是保持纵向力的主要目的,在实际工程中,可通过环缝张开量的状态与发展,通过分阶段分析凸榫受力模式,评估环缝凹凸榫抗剪能力的发挥程度,以达到充分利用榫槽抗剪性能的目的。     

盾构隧道管片衬砌拼装效应局部原型结构加载试验

针对盾构隧道块体间由于拼装咬合引起局部结构刚度分布不均匀,从而导致结构受力与变形不同于均质连续管状结构体的现象,采用自主研发的局部原型结构加载试验系统装置,分别选取盾构隧道管片衬砌结构中的原型单体管片与考虑前后环错缝拼装组合的原型管片衬砌局部构件进行加载试验,对比分析了其受力特征的差异,并探讨了不同轴压比、偏心距以及螺栓初始预紧力下管片结构受拼装效应的影响规律。研究结果表明:单体管片工况下,结构受两侧支座的影响较大,沿结构环向其内力、变形分布均极不均匀,沿幅宽方向,内力呈对称分布,中部大、两侧小,竖向位移基本保持不变;考虑前后环错缝拼装组合工况下,结构受两侧支座的影响较小,沿结构环向,其内力、变形对称分布,较单体管片更为均匀,沿幅宽方向,内力、变形的变化规律与单体管片基本一致;偏心距对结构弯矩的影响大于轴力,不同偏心距下,轴力调整系数α在-0.04~0.02之间,弯矩调整系数β在0.17~48之间;螺栓初始预紧力仅对构件纵缝截面的轴力影响较大,对α和β的影响较小;拼装效应能显著降低结构受两侧支座的影响,对管片的受力变形起到较为明显的传递和重分配作用,使其对称均匀化。     

南京长江隧道管片衬砌结构原型加载试验

以南京长江隧道工程为依托,采用自主研发的“多功能盾构隧道结构体试验系统”装置,实现了对盾构隧道原型管片衬砌结构承受水压力与土压力的分离加载模拟,对南京长江隧道原型管片衬砌结构分别在通缝和错缝拼装方式下进行了原型加载试验.研究了不同荷载条件对管片结构力学特征的影响,并对不同拼装方式下管片结构的内力分布特点及错缝拼装方式下目标管片内力沿幅宽的分布规律进行了探讨.研究结果表明:在弹性状态下和结构开裂后,通缝和错缝拼装管片结构力学特征变化显著,错缝结构对于内力、形变及纵缝张开量等发生突变的控制更有效.     

双车道高速公路越江盾构隧道管片结构开发与力学分析

针对双车道高速公路越江盾构隧道,开发了一种10块等分管片结构,并进行了力学分析.结果表明:通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装的变形较小,弯矩和剪力最大,纵向螺栓剪力较大;两种拼装条件下轴力变化不大;水土分算情况下管片结构的内力和变形比水土合算的要小.10块等分管片在特定的错缝拼装条件下,每一环管片的内力和变形是相同的,可改善管片结构的受力特征、减少配筋量.管片一环10块等分有利于优化配置运输能力和管片拼装机械手的拼装能力,同时减少管片的接头数量、增加隧道衬砌的防水能力,值得在我国双车道高速公路越江盾构隧道中推广应用.     

管片破拆对盾构隧道衬砌受力特性的影响研究

为了解联络通道施工期间管片衬砌结构易裂损破坏的形成原因,基于3环错缝拼装数值模型,就管片破拆对盾构隧道衬砌整环承载性能的影响进行研究。研究结果表明:1)联络通道开孔将导致盾构隧道衬砌整环极限承载能力和整环屈服承载力分别下降23.7%、25%,整环竖向和水平方向承载割线刚度分别下降21%、33%;2)管片开孔两侧的管片接头和开孔环拱顶等位置,管片接头以及开孔环上方管片中部和未开孔一侧拱腰处管片等是关键截面,最易开裂和破坏;3)管片开孔后,在同样大小外荷载作用下,关键截面位置管片的弯矩被大幅放大。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

沉井式预制拼装结构壳-接头模型的三维数值模拟

为了能够实现机械化竖井作业以及提高竖井施工的预制装配率,垂直竖井自动挖掘法（VSM工法）在国外许多国家开始了应用。以东方路竖井式地下停车库为背景,考虑实际管片间的接缝与错缝拼装效应,建立沉井式预制拼装结构接缝的4环壳-接头模型,并利用已有的矩形管片接头试验进行模型验证。重点研究分析在正常使用工况下3种计算位置处各环的内力分布情况、整环水平径向收敛以及纵缝相对变形等。结果发现： 考虑接缝与错缝拼装的4环壳-接头模型计算出的管片环弯矩比不考虑接缝管片环弯矩的结果要小,轴力相差不大,管片环内呈现出较为明显的径向收敛差异,使得变形类似于“圆台”状。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

强降雨条件下岩溶地质环境因素对隧道安全性的影响序列研究

为探究岩溶地质环境因素对隧道工程安全性的影响序列问题,采用室内模型试验方法,考虑岩溶隧道的溶洞布置形态、节理面倾角、溶洞直径、溶洞与隧道间距等地质环境因素,以湘粤岩溶地区典型公路隧道为依托进行试验研究。主要结论如下： 1）隧道衬砌表面孔隙水压力主要受到节理面倾角和溶洞布置形态的影响,且节理面倾角的作用要强于溶洞布置形态,竖向正交布置溶洞截面孔隙水压力变化区间约为斜向布置截面的10倍,而衬砌0°测点位置孔隙水压力变化区间约为180°测点位置的10倍; 2）衬砌表面土压力的影响序列为溶洞布置形态、节理面倾角、溶洞直径、溶洞与隧道间距; 3）节理面倾角和溶洞直径的增大均导致土压力的减小,溶洞距离和倾角之间符合l<-0.4θ+30时,衬砌顶部有明显的受压增大趋势。研究结果对岩溶区隧道灾害的研究具有一定的参考意义。     

地铁圆弧形隧道等腰楔形环的拼装与设计——齐次变换方法

为提高地铁盾构隧道施工效率和管片拼装精度,提出用等腰楔形环拼装圆弧形盾构隧道的新的理论与算法。主要结论如下:1)从理论上证明当等腰楔形环依次向相反方向旋转相同角度θ时,隧道轴线在一个平面上,隧道半径R=L/(2sinα/2·cosθ/2),其中L是环宽,α是楔形角;2)提出一种采用容许旋转角拼装楔形环的算法,确定整个盾构隧道上每个衬砌管片环的位置和方位;3)根据楔形环的方位可以确定隧道上的第几环是左转弯环,第几环是右转弯环,使封顶块的位置在隧道上部,从而确定整个盾构线路所需左、右转弯环的数量。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时，可能发生环缝张开，使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程，采用自主研制的接头螺栓拉拔装置，开展了1：1接头足尺抗拉性能试验，分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下，管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响，对管片内表面的应力分布影响较小；纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中，未能充分发挥其承载能力，而在垂直接缝面的拉拔过程中，螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步，可充分发挥其承载能力，与混凝土强度配合较好；螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力，拧进程度越大，螺栓与套筒的联结能力越强，越能发挥纵向接头的抗拉拔能力；结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效，破坏具有突发性，顺拔工况下，纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏，垂直拔工况下，套筒内部螺纹被挤压破坏，因此，可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

盾构施工阶段管片衬砌结构受力分析研究

为了解盾构管片衬砌结构的受力特性,解决盾构衬砌结构受力的数值分析难点,首先采用ANSYS分析系统对衬砌管片接头力学建立计算模型,通过模拟载荷试验确定管片接头刚度系数,进而利用销钉单元对衬砌管片按梁-弹簧计算模型进行分析,根据管片接头力学处理方式不同,与惯用计算方法和修正惯用计算方法的结果进行对比,最后对盾构在辅助油缸推力作用下管片的纵向受力进行三维模拟,对均匀施加油缸推力和偏心施加油缸推力进行分析对比,研究成果可对盾构衬砌管片设计提供依据。     

深层盾构排水隧道PVC防水防蚀内衬力学性能试验研究

基于广州深层排水隧道,介绍了一种新型聚氯乙烯（PVC）内衬结构,可增强盾构排水隧道的防水和防蚀性能。当管片发生环内变形和环间错台时,盾构隧道接缝位置的PVC内衬处于不利受力状态,故针对PVC防水防蚀内衬的力学性能进行试验研究。通过拉拔试验对PVC内衬与管体之间键的连接可靠性进行研究,通过纵缝压弯试验和环缝剪切试验分别对盾构管片发生环内变形和环间错台时PVC内衬本体和焊缝的力学性能和变形能力进行研究。试验结果表明PVC防水防蚀内衬具有与管片衬砌结构协同变形能力,其力学性能满足要求。     

马蹄形盾构负环管片拼装技术

盾构负环管片拼装是盾构始发中的一个重要环节,其拼装工法将直接影响工程工期、盾构的顺利始发及后续管环的拼装质量(倾角、滚转角等)。以应用世界首台马蹄形盾构施工的蒙华铁路MHTJ-01标白城隧道为例,介绍盾构始发时负环管片的拼装步骤,研究负环管片拼装过程中管片的定位与固定方式,并针对性地设计马蹄形管片在管片推出时的支护方式与支护工装。最终形成一套科学、安全、高效并具有指导意义的异形盾构管片施工方法。     

潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道--苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度; 建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况; 进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明： 较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量; 潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。