化学絮凝与消泡材料对盾构渣土渗流性能的作用机理

为促进盾构渣土的资源化利用,针对土压平衡盾构渣土成分复杂、含水率高且渗透性差等问题,结合渗透试验、压汞测试和计算机断层扫描(CT)等方法,分析盾构渣土的多尺度渗流特征,探究掺入絮凝剂阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)和消泡剂有机硅氧烷对渣土渗透性能的影响和作用机理。结果表明:原状盾构渣土的水分渗流受土体内泡沫的影响,渗透系数最终稳定在7.72×10^(-6)cm·s^(-1)附近,土体孔隙率高且孔径小贯通性差。絮凝剂的掺入可以改善盾构渣土的渗透性能,这是因为CPAM的吸附架桥和电中和作用,但掺量过大则会抑制渗流;该试验中CPAM的最佳掺量为0.30%,渗透系数最高可达2.55×10^(-5)cm·s^(-1)。消泡剂有机硅氧烷的掺量越高,盾构渣土的渗透系数越大,消泡剂可以快速消破土体内部泡沫并提高渗流通道的连通性;本试验的最佳掺量为0.20%,渗透系数可达1.31×10^(-5)cm·s^(-1)。

考虑荷载工况组合的盾构衬砌横向受力分析

在盾构隧道衬砌受力分析中需要按最不利的荷载组合方式进行验算,这无疑加大了工程设计人员的工作量。正是基于这种状况,提出了考虑荷载工况组合的衬砌受力分析。首先建立了盾构隧道衬砌的结构分析模型,根据施工过程对荷载进行分类,依据规范对不同的工况进行荷载组合,得到衬砌内力包络图。并编制相应的计算程序进行了验证,对一典型盾构隧道截面进行了实例分析。

错缝拼装下管片宽度对盾构隧道力学行为的影响

采用可以考虑管片接头力学性能的壳-弹簧计算模型,对错缝拼装下具有不同管片宽度厚度的盾构隧道的力学性能进行了模拟分析。根据管片接头的受力平衡条件与变形,推导了管片接头转动弹簧刚度与轴向弹簧刚度的关系。基于环向接头的无量纲转动弹簧系数对计算模型的参数进行了统一,从而使各个数值分析模型的结果具有可比性。对壳-弹簧模型的计算结果与传统梁-弹簧模型的结果进行了对比分析,分析结果表明随着管片宽度的增加,二者解析结果的差呈现出递增趋势。依据壳-弹簧模型的计算结果,将弯矩在管片方向上进行精细化分析,研究表明弯矩在管片宽度方向上的分布是非均匀的,在管片端部有集中的现象。根据管片宽度与弯矩分布的关系,建立了弯矩集中度的概念,提出了管片边部强梁的优化配筋方案。

穿越赣江盾构法输水隧道的设计

为了探讨盾构法输水隧道的设计难点,以南昌市城北水厂盾构法输水隧道工程为背景,对隧道的受力分析与设计进行详细论述。主要研究内容与结论如下:1)在考虑隧道抗浮及地层特点的基础上,对隧道的平面线形、纵断面、管片及接收井的设计方案进行研究;2)盾构法输水隧道与公路、铁路等其他用途盾构隧道的最大区别在于内水压的存在,其设计难点在于合理内水压力的确定;3)在设计过程中,需要考虑隧道所受的外部最高、最低地下水位,隧道运营阶段的平常内水压力与异常内水压力等因素进行多工况组合,得到隧道的内力包络图后进行配筋,才能得到安全经济的设计结果;4)穿越赣江盾构法输水隧道的实施可增加国内为数不多的在岩层中单衬砌盾构法输水隧道的工程案例,可为小断面输水隧道的建设提供新的建设途径。

大断面矩形盾构法隧道的受力分析与工程应用

矩形盾构法隧道具有空间使用率高,可进行浅覆土、长距离曲线掘进施工的特点,为地下连接通道的建设提供了新的建设方法,具有广泛的应用前景。以上海虹桥临空11-3地块地下连接通道工程为背景,对矩形盾构法隧道的受力分析与设计进行了详细论述,探讨了矩形盾构法隧道设计中的难点。主要研究内容与结论如下:1)矩形盾构法隧道由于形状的关系,管片接头需要承受较大的弯矩与剪力,可采用螺栓群的方式来满足接头受力的需要;2)所采用复合管片的主要受力构件为钢结构,在管片接头处采用深手孔的方式解决了多螺栓的安装难题;3)注浆荷载对矩形盾构法隧道受力影响较大,合理注浆压力及分布模式的确定决定着结构设计的经济性;4)通过管片的载荷试验,验证了所采用的复合管片可以很好地满足矩形盾构法隧道的受力需要。

矩形盾构隧道管片衬砌施工期结构性能的现场试验研究:结合上海虹桥临空11-3地块地下连接通道工程

本文以国内首条矩形盾构隧道工程为背景,对矩形盾构衬砌结构在整个施工期的荷载及结构响应进行现场追踪测试,探索衬砌结构在施工期的主要受力阶段、结构外荷载及其响应随时间的变化规律,以全面掌握矩形盾构隧道衬砌结构在施工期的受力行为。研究结果表明：1）衬砌结构在施工期的受力可划分为自重阶段、脱出盾尾阶段、同步注浆阶段和稳定荷载阶段;2）脱出盾尾阶段和同步注浆阶段的结构外荷载分别为稳定荷载阶段的1.5-3.0倍和1.5-2.5倍,为衬砌结构在施工期的2个不利受力阶段;3）稳定荷载阶段的结构外荷载及其分布与理论计算较为吻合;4）衬砌结构在施工期的内力基本满足左右对称,内力分布特征与运营阶段基本一致。

内水压盾构隧道管片衬砌受力与变形特性分析

对不同埋深的通缝和错缝拼装盾构衬砌结构在内水压作用下的力学响应开展研究,分析了内水压、隧道埋深和衬砌拼装方式对盾构衬砌承载特性的影响规律。研究结果表明,隧道内水从空管变化至满管过程中,衬砌环变形持续增大,内力变化呈现三阶段特性。第一阶段为空管至半管阶段,衬砌环弯矩增大、轴力减小,但二者的变化幅度极小。第二阶段为半管至刚刚满管阶段,衬砌环弯矩增大、轴力减小,轴力的变化幅度小于弯矩。第三阶段为满管后内压增加阶段,衬砌环弯矩和轴力同时减小,但轴力的减幅远大于弯矩。对于有内压作用的盾构衬砌,埋深减小时衬砌结构的内力与变形会随之减小,但局部接缝张开及螺栓应力可能出现增大的现象,较浅覆土处衬砌环接缝的安全储备应引起足够重视。当隧道埋深及内部水压荷载相同时,错缝拼装衬砌结构的收敛变形、局部接缝变形和接缝部位螺栓的受力均优于通缝拼装结构,承受内水压的盾构衬砌可优先考虑采用错缝的方式拼装。

矩形盾构管片接头抗剪试验研究

某一大型隧道拟采用矩形盾构施工,其管片接头处除弯矩和轴力外,剪力作用也不容忽视。通过对2组管片接头的现场抗剪试验研究,验证其抗剪承载能力。研究了矩形盾构接头在复合抗剪、考虑安装误差、凹凸榫单独抗剪3种工况下的性能,具有一定的指导意义。

深埋排水调蓄盾构法隧道衬砌内力分析

目前在盾构隧道分析中,主要采用修正惯用计算法与梁-弹簧等一维计算模型,其关键参数的选取依靠于经验与试验。文章依托苏州河段深层排水调蓄管道系统工程,对该工程试验段部分的盾构隧道展开受力分析。建立了在内水压作用下盾构法隧道的一维与二维计算模型,对二者的计算结果进行了对比分析,验证了二维计算模型的合理性。在二维计算模型中,建立了衬砌与螺栓的有限元模型,从而避开了一维计算中接头转动刚度难以确定的难题。通过初步计算,论证了衬砌结构与螺栓配置的可行性。

盾构隧道环向快速连接件力学性能试验研究

15 m级的大直径公路盾构隧道与10 m级超深覆土高内水压作用下的排水调蓄盾构隧洞对接头有高承载力的要求,为此开发新型环向快速连接件。该连接件具有拼装时间短、无需人工拧紧、拼装完成后的隧道真圆度高、管片错台与张开量小、防水性能高的优点。为研究连接件的结构形式、材料性能、连接件与锚筋之间的连接、连接件与混凝土管片之间力的传递,以650 mm厚的管片为原型,开展接头抗拉物理试验,并采用数值模拟的方法实现试验值与计算值的对比分析。主要结论如下:1)本次试验所采用的铸铁连接件屈服承载能力为512 kN,满足试验指标要求。弹性阶段的承载力为400 kN,极限承载力为645 kN,可以应用于指导盾构隧道的设计。2)试验破坏发生在连接件本体部位,锚筋与连接件之间的连接设计合理可靠。试验终止时,4根锚筋的最大应力值为348 MPa,达到HRB400锚筋抗拉屈服强度的87%,接近其抗拉强度设计值360 MPa。3)连接件在轴心拉力作用下,其本体与锚筋的受力是不均匀的,在连接件设计中应考虑这种不均匀性,进行合理的优化设计。

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。

中心城区既有地下空间二次扩建改造的方法探究

由于地表建筑以及地下管道等情况复杂,故在对中心城区既有地下空间进行扩建时存在很多难题。以某待建工程为例,提出了一种采用水平顶管+内部结构托换的施工工艺进行水平向地下空间扩展施工的新方法,并利用数值软件分析了施工过程中可能出现的12种工况,对其结构的整体受力以及最不利工况下的应力进行了分析。计算结果表明,水平顶管与内部结构托换相结合的施工方法能够满足工程需求。

深埋排水盾构隧道高刚性管片接头力学性能试验研究

为满足深埋排水盾构隧道在高内水压和高水土压力作用下的特殊工作要求,需要采用高刚性的接头连接形式对盾构隧道管片进行可靠连接。拟采用一种在手孔内部全面包钢的"口字型"铸铁件及与之连接的锚筋作为接头预埋件结构体系,以满足接头的刚度要求。由于接头的特殊形式,对于其力学性能尚缺乏充足的研究。文章对其展开了接头力学试验,分析了该接头结构形式的变形特性、承载力以及破坏模式。研究结果表明,管片接头承载力满足各设计工况荷载要求,当轴力为0时,极限抗弯承载力为1 494 kN·m。管片接头转角受所受弯矩和轴力控制,当轴力一定时,转角随着弯矩的增大而增大;而当弯矩一定时,转角随着轴力的增大而减小。在接头弯矩增加且轴力保持为0时,接头挠度、转角、螺栓应力、锚筋应力均呈现明显的双线性特征,当接头弯矩小于1 144 kN·m时,接头刚度较小;当弯矩大于1 144 kN·m时,接头刚度增大。由此可以得出当接头所受轴力为0时,接头弯矩值达到1 144 kN·m后嵌缝混凝土接触。各设计工况下中手孔周围裂缝发展情况较轻微,最大裂缝宽度不大于0.2 mm,满足深埋排水隧道的使用要求。接头的破坏是由螺栓的屈服引起的,螺栓受拉屈服后,接头截面受压区迅速减小,嵌缝混凝土接触造成接缝上表面混凝土压碎、剥落。

深层盾构隧道结构合理计算模型与计算分析研究

在盾构隧道结构设计计算中常用的一维计算模型存在计算参数的选取严重依赖工程经验,导致其计算结果的准确性和可信度也间接严重依赖已有工程经验等缺点,使得承受内、外高水压或土压作用的、鲜有规范和经验可依的特深大直径调蓄盾构隧道的结构受力状态和结构安全性评估面临着巨大的困难和挑战。基于此,文章针对深层盾构隧道,建立了结构计算参数主要取值于常规材料参数的精细化二维实体计算模型,并进行了深层盾构隧道更为精确地模拟和分析,结合实际深隧工程控制工况的计算分析结果,对其一维和一维计算模型进行了详细的对比分析研究,并据此提出和建议了合理的深隧结构计算模型和计算方法。

基于施工全过程的矩形盾构隧道结构受力分析方法及应用

为探索如何在衬砌结构设计中充分考虑施工过程对结构受力的影响,在现场监测结果的基础上,采用理论分析和数值模拟的方法,建立基于施工全过程的衬砌结构受力分析方法,即考虑衬砌结构在施工过程中各主要受力阶段之间的非线性时变效应,采用增量法进行结构内力和变形的计算,分析结构在施工过程中各受力阶段的荷载模型以及结构刚度随内力变化的折线模型。将该方法应用到实际隧道工程中,并与传统设计方法进行对比分析。实践表明,建立的基于施工全过程的衬砌结构受力分析方法是合理可行的,其可以较全面地反映出衬砌结构在施工阶段的真实受力状态;脱出盾尾阶段和同步注浆阶段为结构在施工期的不利受力阶段。

中心城区既有地下空间二次拓建改造方案对比分析

在土地资源极其匮乏的条件下,空间向地下扩建是城市进行可持续化建设的重点。由于地表建筑以及地下管道等复杂情况,中心城区既有地下空间拓建存在很多固有难题。通过案例分析,总结了几种常见的地下空间扩建改造施工方案。随后基于依托工程的实际情况,明确顶管结构转换法是可行性最高的施工方案,后续还需要深入研究。

软土城区盾构法地下道路分合流处非开挖技术

地下快速路通常需沿主线设置多个匝道与地面道路相接,服务重点区域的到发交通。匝道与主线隧道连接区域往往会成为制约项目的关键因素。软土地区地下快速路主线隧道和匝道通常分别采用盾构法和明挖法实施,分合流处现行施工方案为设置大型异形工作井。大范围明挖对地面交通,地下管线,周边建筑物等产生较大影响。借鉴国内外相关地下道路建设经验,以上海北横通道中山公园工作井为研究背景,结合盾构法地下快速路的特点,分析分合流处非开挖方案的适用性。随后,分别建立荷载结构法和地层结构法三维计算模型,分析主体板壳结构和冻结预支护体系的受力性能。结果表明,主线盾构法隧道分合流处采用局部暗挖方案具有可行性,但是仍然存在一些问题有待深化研究。

大断面分块式顶管管节UHPC接头防水施工技术

大断面分块式顶管管节解决了市政地下大断面顶管工程现场施工空间狭小、大型构件运输困难等问题。工程实践证明:大断面分块式管节UHPC接头施工中混凝土浇筑养护、膨胀止水条安放、聚脲涂料敷设等工艺技术及现场管理措施对于保障工程质量效果明显。

高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验

为了选择适用于软土地区深埋排水盾构隧道管片接头结构形式,针对新型高承载力盾构隧道管片接头预埋件结构,开展了1∶1结构抗拉性能试验,研究管片接头预埋件在不同荷载工况下,锚筋的应力分布和传递、接头板的变形和位移、螺栓的应力分布、管片混凝土裂缝的分布扩展情况和结构最终破坏模式等力学特征。研究结果表明:锚筋应力随着与预埋件连接处距离的增加逐步减小,且传递曲线均呈现出先陡后缓的趋势;接头预埋件锚板和锚筋的存在,使得接头的整体刚度得到了增强,同时提高了结构的承载能力;结构最终破坏模式是接头预埋件与锚筋的连接位置发生断裂破坏,且结构破坏时预埋件整体有较大的翘曲变形,因此可以考虑提高预埋件与锚筋的连接性能并相应增加预埋件的刚度以进一步改善结构的整体性能。

粗合成纤维在排水调蓄盾构法隧洞管片中的应用试验研究

为缓解排水调蓄盾构法隧洞内水压的不利作用,考虑隧洞内部介质为雨污水,提出在隧洞管片中加入粗合成纤维。通过材料力学性能试验、直梁加载试验,研究粗合成纤维在排水调蓄隧洞管片中的应用效果。结果表明,与素混凝土力学参数相比,纤维混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量分别降低1.8%、7%、4%,纤维的添加会降低混凝土力学性能;在混凝土开裂后,PPF1(粗合成纤维1)、PPF2(粗合成纤维2)、SF(钢纤维)试件的钢筋应力与普通混凝土相比分别下降2%、10%、17%,纤维分担了钢筋的部分拉应力,体现了纤维混凝土的优点;从裂缝的分布形态看,普通钢筋混凝土的裂缝表现为“疏而宽”,试验终止时最大裂缝宽度为0.55 mm,纤维钢筋混凝土的裂缝表现为“密而窄”,试验终止时最大裂缝宽度为0.3 mm。在混凝土开裂后,纤维减小了裂缝的宽度,纤维的加入有利于隧洞衬砌结构的裂缝控制。