小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明:(1)双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。(2)单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。(3)提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。

大型管片衬砌结构受千斤顶推力作用的裂缝分析

针对盾构隧道开始施工阶段在千斤顶推进时发生的管片环少量裂缝现象,通过管片组合体加载模型对管片内部应力场的分布和传递特征进行了分析,得出了裂缝产生的主要原因,然后给出了相应工程措施。研究表明,对于有矩形手孔的钢筋混凝土管片,管片平均应力的集中部位呈八字形分布,从手孔外侧拐角处开始,沿着约30～45°斜向幅宽边缘延伸;剪切应力的集中部位则呈剪刀状,以手孔和定位孔为中心,沿着与环缝边缘约45°夹角方向从孔边拐角向四周延伸;非均匀接触的情况下,除硬物附近,其他管片边缘部位的应力总体水平也将有成倍提高;环向轴压对管片裂缝具有一定程度的抑制作用。

盾尾千斤顶推力与盾构机转角匹配关系研究

盾构机相对管片轴线发生偏转会导致撑靴与管片的接触状态劣化,出现应力集中;为保障管片结构安全,盾构机发生偏转后千斤顶的推力上限应有所减小。基于混凝土局部受压承载力特性,分析了盾构机发生偏转时盾尾千斤顶撑靴与管片接触作用模式的演化,建立了基于局部受压条件下管片结构安全的盾尾千斤顶推力与盾构机转角的匹配关系,给出了盾构机转角与千斤顶推力上限的理论关系式。应用该理论计算模型,给出了福州一地铁隧道工程中千斤顶推力和盾构机偏转的匹配控制值,实际推进效果表明该控制方法有效。

浅埋超大直径盾构隧道千斤顶推力对衬砌管片受力变形的影响研究

为研究浅埋超大直径盾构隧道在不同千斤顶推力及偏移作用下的衬砌结构受力及变形规律,运用有限元软件ABAQUS建立考虑水土压力、盾尾刷反力、千斤顶推力的盾构隧道衬砌管片三维模型,并分析衬砌管片在盾构直行、上行、下行以及左行条件下发生偏角时的衬砌内力及变形情况。结果表明:1)千斤顶推力对衬砌管片的影响范围主要为前8环,明显反应在前3环,且环内最大错台位置主要集中在封顶块位置附近;2)盾构掘进方向主要影响该方向的管环位移,对垂直方向的管环位移基本无影响;3)拱顶/拱底主要受俯仰偏角影响,不受横摆偏角作用,拱腰则对横摆偏角更为敏感,受俯仰偏角影响较小;4)当千斤顶发生俯仰偏角时,向下偏角极易引起前几环管片的应力激增;5)当千斤顶发生横摆偏角时,同侧偏角更易引起该侧管片的位移及应力激增。

千斤顶推力不均对盾构管片裂纹扩展的影响研究

针对上软下硬复合地层盾构隧道施工阶段千斤顶推力不均造成管片裂损问题,基于扩展有限元理论,运用ABAQUS有限元软件,建立管片三维有限元模型,模拟3种推力不均工况,对裂纹形态特征、扩展规律、扩展路径进行分析,并提出相应的工程改进措施。研究结果表明:管片裂纹多位于最大推力位置,裂纹形态表现为边角部、手孔和螺栓孔附近大范围线状裂纹。千斤顶推力大小、位置与管片裂纹的分布形态直接相关,千斤顶推力越大,最大推力位置越靠近端部,管片裂损区域越大。裂纹扩展呈现台阶式递增的特点,可以分为3个阶段,第三阶段的裂纹扩展最迅速,管片结构出现区域性破坏。通过优化管片结构、控制施工不良荷载与盾构姿态等措施,可减轻盾构施工阶段管片裂损程度。

盾构隧道千斤顶推力对管片力学响应影响分析

以上海隧道股份有限公司承建的昆明市轨道交通2号线二期工程六甲站—龚家村站盾构区间隧道为工程背景,通过MIDAS/GTS软件建立三维有限元非连续接触有限元模型,对盾构隧道推进过程中不同千斤顶推力情况下的管片力学响应进行模拟,并针对千斤顶推力相对于管片表现出的应力应变而产生的实际影响,进行科学系统的综合分析。结果显示:横向水平变形和竖直变形呈减小的趋势,轴向水平变形随着推力的增大而增大,管片的错台量减小;与此同时,由于管片环的持续推移,轴向水平方向由于负载千斤顶推力而引发的变形程度逐步降低;每环管片的最大拉应力和最大压应力均位于连接螺栓手孔处,因此可以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象;值得一提的是,当千斤顶推力逐步递增的过程中,管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力,将会首先缓慢降低,又逐渐增大,说明适宜的千斤顶推力有利于管片受力,但是推力过大会导致管片破损。经由本篇论文所获得的研究结果,将能有助于针对地铁盾构进行科学有效的施工控制。

盾构千斤顶不良顶推作用下地铁管片衬砌开裂特性

为指导地铁区间隧道施工盾构掘进控制和管片衬砌防裂设计,建立考虑接头-管片的盾构隧道装配式衬砌结构数值模型,基于混凝土弥散开裂本构模型,研究直线段管片衬砌在千斤顶轴向倾斜以及千斤顶端面侧移两种不良顶推作用下管片衬砌的开裂特性.研究结果表明:在上述2种不良顶推力下,顶推导致的管片衬砌裂缝主要分为封顶块螺栓孔裂缝、手孔纵向裂缝和管片环面纵向裂缝3类;当千斤顶出现轴向倾斜致裂时,拱顶封顶块环向螺栓孔处的裂缝宽度最大,且当轴向倾斜角度达到3°时,3类裂缝宽度均已超过施工的允许值;当千斤顶端面侧移致裂时,衬砌环面及封顶块环向螺栓孔位置处的宽度最大,其中端面整体向下侧移是最为不利的情况;管片衬砌开裂将导致裂缝位置处钢筋应力增大,相同开裂位置处的钢筋应力-裂缝宽度关系基本不受顶推力倾斜角度变化的影响,裂缝的宽度与钢筋的应力呈正相关关系.盾构施工时,应严格控制盾构掘进不良顶推作用,对容易产生裂缝的位置建议加强配筋以控制裂缝的发生.

小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律

依托西安地铁2号线正阳大道—北客站区间小半径曲线段盾构隧道工程,通过现场监测和数值模拟,分析了考虑千斤顶不对称推力和曲线内侧土体超挖情况下,小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律及曲线半径对地表竖向位移的影响。研究结果表明:在盾构掘进过程中开挖面前方22.1 m附近地表轻微隆起;隧道纵向地表沉降最大值出现在开挖面后方12 m处;隧道横向地表沉降槽呈非对称分布,曲线内侧地表沉降大于曲线外侧,沉降槽中心线向曲线内侧偏离隧道轴线,偏移距离为5.5 m;曲线半径主要影响开挖面后方地表沉降,隧道纵向、横向地表沉降最大值均随曲线半径减小而增大,曲线半径超过350 m后,半径变化对开挖面后方地表沉降影响较小。

盾构法隧道施工阶段管片的力学分析

盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现局部破损现象。阐明了盾构施工阶段管片的受力特点,对其常见的局部破损现象及产生原因进行了总结与分析,在此基础上构建了施工阶段的管片力学模型,即一端固定、一端简支的受力构件。以某盾构工程施工参数为例,运用有限元方法实现该力学模型,按不同工况对其进行了数值模拟,并与现场实测结果进行了对比分析。研究表明:盾构施工阶段,衬砌管片会在第5～7环之间产生局部破损,与现场出现的管片破损部位十分接近;千斤顶推力的大小、倾角及偏差是导致施工阶段管片局部破损的主要原因,并给出了盾构施工阶段减轻管片破损的一些建议。

通缝盾构隧道衬砌施工期三维力学特性数值研究

建立软土条件下通缝拼装盾构隧道衬砌三维有限元模型,实现对施工期衬砌结构所受外力作用的模拟,包括盾构千斤顶推力、注浆压力、土层应力等,并分析它们对衬砌结构力学性能的影响。其中,千斤顶推力过大和不均匀加载对管片的纵向变形影响较大,不均匀加载还会导致管片错台,而千斤顶推力偏离轴线则会导致管片接缝张开。注浆压力出现异常极大值,管片变形则会非常大。土层对管片变形直接影响较小,管片变形主要为竖向位移。

TBM隧洞新型平行四边形管片衬砌结构受力特性研究

在TBM输水隧洞衬砌管片拼装过程中,管片结构形式对于施工效率及难度的影响显著。作为一种新型管片,平行四边形管片能使衬砌达到自然错缝的效果,保证施工进度;但由于管片间接缝与隧洞轴线存在楔角,在拼装过程中可能承受较大压力,进而导致管片损坏。因此,考虑在单护盾模式下衬砌拼装过程中增加千斤顶推力,建立三维地层-衬砌数值模型,分析平行四边形管片的受力特点。研究发现,管片接缝附近应力集中,且应力值较大;接缝开度和压力与管片所承受千斤顶推力以及接缝位置有关。将接缝面分为P面和A面(P面为与其同一管片上千斤顶推力作用面夹角为锐角的接缝面,A面为夹角为钝角的接缝面)。对于同一接缝,当A面所属管片千斤顶压力与P面所属管片千斤顶压力之比不大时(P面承受千斤顶推力),接缝靠近千斤顶一端闭合,远离一端张开;当P面所属管片没有承受千斤顶推力、A面所属管片承受千斤顶推力时,接缝靠近千斤顶一端张开,远离一端闭合。

地质条件与盾构姿态控制的关系研究

基于盾构掘进的已有历史数据,建立数据库对盾构掘进数据进行管理,分析挖掘影响盾构姿态的主要因素,并得出地质条件与盾构掘进千斤顶推力之间的关系,更有效地实现盾构的姿态控制。