盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌内水压下破坏机理试验研究

利用1∶1原型试验对盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌在内水压下的受力变形规律及破坏模式展开研究。试验结果表明,盾构管片接头是双层衬砌抗拉薄弱位置,内衬环面临近管片接头处首先产生裂缝然后逐渐接近均匀分布;盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌受力破坏过程可以大致分为4个阶段：(1)线弹性阶段,该阶段衬砌受力变形随内水压的增加线性变化;(2)内衬开裂阶段,内衬开裂后钢纤维发挥桥接作用,内衬环向抗拉刚度逐渐降低,盾构管片分担的内水压比例逐渐上升,内衬轴力逐渐由钢筋承担;(3)内衬开裂稳定阶段和接头损伤阶段,该阶段内衬残余刚度趋于稳定,管片分担的内水压比例不再增加,随后部分管片接头对应混凝土出现压损,管片抗拉刚度下降;(4)衬砌破坏阶段,内衬钢筋逐渐屈服,最终部分盾构管片接头出现严重破坏。原型试验的结果揭示了盾构–钢筋钢纤维混凝土双层衬砌在内水压作用下的破坏过程和机理,可为工程实践提供参考。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

地下高压钢筋混凝土岔管渗水开裂三维数值分析计算

根据地下高压钢筋混凝土岔管受内水压力初砌开裂后的渗流场变化特征，提出了高压管道内水外渗的渗流场与应力场耦合的三给有限元数值分析方法。根据地下高压钢筋混凝土岔管衬砌开裂破坏规律，给出了高压管道受内水压开裂的裂缝宽度估计公式和混凝土衬砌结构的配筋计算方法。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗的初砌结构配筋的影响，为地下高压管道的设计提供了一种有效的分析方法。     

地铁盾构衬砌管片加载裂缝的分析

盾构衬砌管片在拼装和使用中出现很多裂缝问题,通过衬砌管片的加载考察分析影响衬砌管片裂缝开展的因素,为管片结构优化设计提供技术支持。分别采用普通盾构衬砌管片(纵筋采用直径18mm的HRB335钢)和加重盾构衬砌管片(纵筋采用直径22mm的HRB335钢)两种管片的加载裂缝对比情况来分析影响衬砌管片裂缝的因素。试验结果表明,初始裂缝主要受混凝土的影响,钢筋作用不明显。加载力越大,裂缝开展深度越大。破坏时加重管片的混凝土破坏更为严重。裂缝开展严重地方在中心螺栓孔附近,此段主要承受弯矩,两旁螺栓至接头处基本不开裂,此段主要受轴向力的作用。外侧保护层破坏时钢筋屈服,衬砌管片承载力急剧下降。衬砌管片开裂主要在管片环的上部,应该重点加强承受上部土压力的管片强度,初始裂缝与混凝土有密切关系,应该重点加强上部混凝土的强度或在两侧螺栓孔中间添加钢纤维以加强。     

地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

 处于地裂缝活动环境下的盾构隧道,在地裂缝上下盘相对错动下,隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形,此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效,使隧道不能正常运营。基于此,考虑在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构,共同承担外力,以达到减小结构应力和变形的目的。为此,对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析,主要考虑地裂缝上下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬砌受力和变形性状的影响,得出一些具有工程指导意义的结论,计算结果表明：管片内的整体式钢筋混凝土内衬能有效的减小隧道衬砌在地裂缝错动下的内力和变形;衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系;内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响,衬砌越厚,应力和变形越小,但厚度超过300 mm后再增加厚度,效果明显减弱;内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小,实际工程中采用C30混凝土即可。     

盾构隧道管片接头三维有限元分析

钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元,其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环有削弱作用,使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分析,得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现,正弯矩作用下的接头强度取决于接头的局部强度;接头极大降低了管片环的整体承载能力;螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管片接头强度。     

铁路隧道管片衬砌承受高水压分界值研究

铁路隧道一般位于山岭或水下的复杂地质环境中,面临着地下水的威胁,国内工程界对于管片衬砌所能承受的高水压一直没有明确的分界值。针对管片衬砌结构型式的特点,从接缝防水及结构受压承载能力两方面对高水压分界值展开研究。提出了管片衬砌结构高水压限界的定义及判定方法,求解了不同围岩级别、不同管片设计参数（混凝土强度等级、厚度）条件下的管片衬砌高水压承载能力。最后通过大比例尺模型试验对衬砌受水压作用的力学特征进行分析。研究结果表明：管片接缝在允许的张开量和错位量的前提下,同时考虑设计材料的应力松弛与老化,密封垫设计承受的最大水压能力约在 0.8 ～ 1.0 MPa 之间;管片环不同位置处的受压承载能力安全系数近似呈正弦曲线分布,拱顶及拱底位置为衬砌结构受力控制点,提高混凝土强度等级或加大管片厚度可以显著增加管片衬砌的受压承载能力;高水压条件下结构呈受压破坏,低水压条件下呈受拉破坏,一定范围内提升管片的外水压力,衬砌结构的轴力值增加明显,弯矩值变化幅度不大,对于结构受力是有利的。     

深埋排水盾构隧道钢纤维混凝土高刚性接头受力特性试验研究

为解决深埋排水盾构隧道管片衬砌的受力和变形问题,需在管片结构中采用高刚性接头。高刚性接头构造复杂,在施工及承载过程中容易出现接头位置混凝土开裂及手孔局部破坏现象,进而影响接头的承载与防腐性能。对钢纤维混凝土(SFRC)和钢筋混凝土(RC)高刚性管片接头开展正弯矩试验,研究钢纤维对深埋排水盾构隧道高刚性接头受力性能的影响。研究结果表明：在高刚性接头中掺入适量钢纤维可有效提高接头的承载及抗裂能力。SFRC高刚性接头和RC高刚性接头的混凝土开裂荷载相同,但SFRC高刚性接头达到正常使用极限状态时的荷载抗力为RC高刚性接头的1.2倍。与RC高刚性接头相比,SFRC高刚性接头的承载力提高约15%;且接头破坏后,SFRC高刚性接头受压区与手孔附近混凝土裂缝的数量、宽度及分布范围相较于RC高刚性接头明显减小。     

水下盾构隧道管片力学特征研究

高水压条件下盾构隧道施工时,渗流场对衬砌管片结构的稳定性有很大影响。以南昌地铁3号线下穿青山湖段工程为研究背景,运用有限差分软件FLAC3D对不同水压情况下盾构隧道围岩及衬砌管片结构进行流固耦合分析,得出围岩孔隙水压力、竖向应力,衬砌管片外水压力、位移的分布规律。结果表明:不同水头压力下隧道开挖后围岩孔隙水压力、竖向应力分布规律大致相同,其数值大小与水头压力呈正相关;隧道开挖后管片拱腰两侧的外水压力较初始值降低幅度较大,在水力坡降的作用下,极易发生涌水;水头压力的大小对管片竖向位移的影响较显著,对水平位移的影响不太明显。     

水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流-损伤-应力耦合分析

基于弹性损伤理论和线弹性断裂力学理论,建立水工隧洞衬砌水压致裂过程中的渗流-损伤-应力耦合模型.模型采用增量变弹性损伤刚度有限元迭代法,在内水荷载逐级施加的过程中考虑损伤对于渗流的影响,可以较好地模拟在水工隧洞充水加压过程中,混凝土衬砌在应力场和渗流场耦合情况下的损伤演化及裂纹的产生、扩展的过程.工程算例结果表明:计算结果较为合理地反映高内水压力下水工隧洞衬砌的开裂规律.当水压致裂过程采用耦合模型时,衬砌的损伤演化和开裂对衬砌渗流场的影响不可忽略;由于内水外渗的的影响,衬砌的受力条件在一定程度上得到改善.     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

西江引水工程盾构输水隧洞衬砌形式的选择与设计

广州西江引水工程在穿越城区的大型交通枢纽位置采用了盾构隧洞的非开挖穿越方式。该盾构输水隧洞内压高、距离长、埋置深,使得隧道衬砌结构的设计成为制约整个隧道工程安全、保证工程质量和确保按期完工的关键。通过对多种衬砌形式进行比较,最终确定采用钢筋混凝土管片加钢衬的分离式双层结构。从盾构隧洞的基本构造、外衬管片的设计和施工措施、内衬钢管的设计和自密实混凝土的浇筑等方面进行了介绍,以供类似工程参考。     

盾构及内衬钢管技术在西江引水工程中的应用

介绍了西江引水工程中穿越大型立交采用的盾构及内衬钢管技术。鉴于所穿越立交的地理、地质条件和实施环境,选用了盾构法构筑隧道,并创造性地采用了内衬钢管的衬砌方案。钢管承受内部水压,盾构管片承受外压,加强了管道的安全可靠性。同时,对施工过程中的地面沉降控制,内衬钢管的对接、安装,自密实混凝土的浇筑等进行了论述,供同类工程参考。     

火灾对原型盾构管片接头防水性能损伤试验研究

通过盾构隧道衬砌管片原型火灾试验和接头防水橡胶条高温耐水压试验,研究了火灾高 温条件下管片接头温度传导以及温度场分布规律;火灾高温条件下管片接头变形规律;火灾高 温条件下盾构管片接头防水性能变化规律。从接头温度分布、变形特性以及防水性能等方面对 盾构隧道管片接头在火灾条件下的损伤研究中得到：（1）火灾发生30min左右是管片受火面混 凝土崩裂和径向裂缝集中发展时期,高温引起管片接头变形较大,火灾持续时间直接影响管片 接头防水性能变化;（2）火灾中,接头处三元乙丙橡胶比遇水膨胀橡胶耐高温性能要好;（3 ）火灾发生时,165℃是管片衬砌接头密封橡胶条是否具有防水性能的临界温度。     

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。     

基于断裂力学的盾构隧道管片结构开裂破损机制探讨

管片结构的破损已经成为盾构隧道的常见病害之一。采用基于断裂力学的有限元方法,从单块管片、2块管片(含接头)、整环衬砌结构3个层次探讨盾构隧道管片结构的破损机制。研究表明,单块管片的承载力性能和破坏模式主要受边界约束条件的影响;接头的破坏表现为一侧张开、一侧压碎并最终导致整环衬砌结构的破坏。简化的连续型接头模型在模拟低负载条件下的接头行为时与真实情况较为接近,但无法模拟在高负载或承载力极限条件下接头两端管片相互脱离、断开的现象和接头区混凝土的压碎现象。为了更准确地预测整环衬砌结构的极限承载能力和变形性能,接头的模拟是关键。     

盾构隧道的结构病害及其成因探析和治理措施

随着大量盾构隧道投入运营,隧道结构的病害问题逐渐显现。本文从影响和引起隧道结构病害的原因出发,对盾构隧道服役寿命期内其结构病害的情况进行了总结,阐述了盾构隧道结构病害、劣化的主要类型及其内在和外在的表征形式。事实显示,引起盾构隧道结构病害的主要成因包括:运营期特殊荷载导致的隧道结构突发损伤、隧道结构耐久性不足和隧道结构变形等长期行为产生的损伤。盾构隧道结构的病害和损伤主要包括管片和路面结构混凝土开裂、破损剥落;钢筋锈蚀且与混凝土粘结力降低;管片连接螺栓锈蚀或长期受应力腐蚀作用产生扭曲变形甚至断裂;隧道衬砌环纵缝的错台变形、接缝张开等;另外还包括隧道管片、衬砌接头、螺栓孔等位置的渗漏。     

外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性模型试验

矿山法修建的山岭隧道有的情况下对地下水采取排导式处理方案。当衬砌背后来水量超出排水系统能力时,将引起衬砌背后外水压增高,甚至导致隧道衬砌结构破坏。自行研制了隧道衬砌外水压力模拟加载试验装置,该装置通过形成负压环境,利用隧道结构模型内外气压差来实现外水压的模拟。基于隧道-地层复合模拟试验平台,开展了外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性的室内加载模型试验。结果表明：衬砌结构在水土压力共同作用下,轴力呈锥形分布,拱脚轴力大于仰拱和拱部;弯矩呈蝴蝶型分布,拱脚处承受外弯矩,仰拱及拱顶承受内弯矩;轴力、弯矩随水压增加大致呈线性增大,偏心距逐渐减小,拱脚位置具有最大的偏心距,为外水压下隧道衬砌结构受力的最不利位置;依托隧道工程三车道及加宽带衬砌结构产生渗透性裂缝的外水压力分别为330kPa和420kPa,开裂裂缝主要出现在左右拱脚区域的外侧及仰拱内侧,为受拉开裂破坏,且随着外水压的增加,裂缝的渗透性急剧增大。此研究可为大断面公路隧道排水型衬砌在外水压力作用下结构安全评估提供参考。