中日盾构隧道-工作井接头抗震设计及研究进展综述

首先通过比较中日两国规范及标准中的盾构隧道-工作井接头要求,阐述中日抗震设计理论现状。分析认为:中国的设计规范对井接头的抗震规定较为模糊甚至较少提及,日本规范存在2种盾构隧道-工作井柔性接头的抗震计算方法。相比之下,日本拥有更成熟并且实用的抗震分析理论和计算方法。中日在设计规范标准中均给与设计单位巨大的自由度,但结果允许值的取值范围缺乏评价标准。其次,通过调研井接头抗震分析的研究进展,指出井接头部位的震害特点和关键影响因素;并从影响井接头综合响应机制的关键要素,如刚度比、结构间的相互作用、地基承载力、刚性接头和柔性接头的对比等,对井接头研究现状和不足进行综述。再次,对井接头的抗震评价方法和抗震措施进行梳理,认为:1)土和结构刚度比对工作井接头产生显著影响,需要注意控制工作井周围的土层刚度在合理范围内,提出结构和结构的刚度比是未来重要研究方向的建议。2)结构之间的相互影响主要关注在不同的地震荷载下,2个结构相互之间的影响机制。提出对于结构的相互影响还应关注盾构隧道和工作井接触研究的思考。3)除了结构刚度突变外,地基刚度突变也是重要的影响因素。日本已经提出简易评价公式并经过验证,中国目前在这方面的研究较少。提出软土地区应该着重进行此类研究的建议。4)在柔性抗震方面,日本进行了深入研究。考虑到中国即将要求盾构隧道-工作井接头采用刚柔结构的新规范,日本的研究成果可以为中国进一步发展盾构隧道-工作井接头的抗震设计提供参考。最后,预测本研究领域可能的未来发展方向。

考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解

为反映外荷载下盾构隧道相邻环间张开和错台,提出考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解答。首先,引入纵向梁-弹簧模型模拟盾构隧道纵向受力变形,其中采用Timoshenko短梁考虑隧道环段变形,引入转动和剪切弹簧分别模拟环间接头转动与错台。其次,构建弹性地基上纵向梁-弹簧模型的有限差分方程,以解决环间接头-管环非连续变形求解问题,并推导外荷载下既有盾构隧道的纵向变形公式。最后,建立新建隧道上穿和下穿引起既有盾构隧道的纵向变形解答,并与新建隧道上、下穿越工程案例及现有理论方法对比验证。研究结果表明:所提方法预测的隧道位移与Timoshenko连续梁模型,协同变形模型和实测数据均具有较好的一致性,但所提方法得到的环间错台略低于Timoshenko梁模型和协同变形模型;所提方法可考虑环间接头的影响,得到的隧道位移曲线呈现既不光滑也不连续的特征,其中环段变形以刚体位移为主,而环间接头主要发生转动和错台;而基于现有理论所得盾构隧道纵向位移均为连续曲线,无法反映环间接头的真实转动与错台位移。

盾构接收工作井围护结构附加应力计算及应用

为分析盾构接收对工作井围护结构附加应力的影响,以某盾构隧道工作井为依托工程,通过建立盾构接收期工作井围护结构力学模型,基于弹性力学Mindlin应力解与Sagaseta公式,提出盾构刀盘正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、同步注浆压力及土体损失对工作井围护结构附加应力的计算方法.通过对工作井围护结构附加应力的主要影响因素进行计算分析,并结合数值模拟研究接收期工作井围护结构的力学行为,基于工程实例形成了盾构近接控制原则.研究结果表明:1)工作井围护结构附加应力的影响范围随盾构隧道直径增大而扩大,且主要发生在盾构直径的1.5倍范围圈内,盾构机所处深度对附加应力最大值具有重要影响;2)总附加应力中以正面附加推力和盾壳与土体摩擦力引起的附加应力为主,占比分别约1/3和2/3,同步注浆和土体损失引起的附加应力相比前两种可忽略不计;3)总附加应力的理论计算和数值模拟结果基本一致,验证了计算方法的合理性,同时数值模拟表明盾构接收期工作井围护结构的弯矩和变形增长了1倍左右,在盾构接收施工中应予以重视;4)基于掘进速率对工作井围护结构附加应力的计算分析结果,在工程接收关键区间(10~0环)中采取了“低推速”接收原则,保障了盾构的安全接收,可为同类工程提供参考.

盾构隧道先隧后井施工中工作井支护结构优化

以广州西江引水工程盾构接收井为背景,借助大型有限元(FEM)软件,采用3因素3水平正交试验法进行多因素系统分析。探讨环梁层数、围护结构嵌固深度及环梁厚度对盾构管片张开量与工程造价的影响规律,对拟用支护方案进行优化,提出适用于盾构隧道先隧后井施工中工作井基坑的合理支护方案。基于双面弹性地基梁理论,提出先隧后井施工中管片张开量的理论计算方法,且验证正交试验模型的合理性。研究结果表明:以经验类比法确定的支护方案比传统的基坑设计方案更科学合理。

考虑连续墙接头效应的软土大型盾构工作井稳定性分析

基于地下连续墙分幅施工的工程实际状况,建立了连续墙不抗弯不抗剪柔性接头、抗剪不抗弯半刚性接头以及抗剪又抗弯刚性接头的力学模型。结合南京纬三路过江隧道盾构工作井地下连续墙的设计,通过数值模拟,研究了连续墙接头型式对于墙体水平位移以及支护体系受力的影响规律。研究成果表明,在做好连续墙接头防渗的前提下,采用柔性接头时墙体的水平位移较大,支护体系内力明显增高;采用半刚性接头时既可以有效地限制墙体的水平位移,又可以将墙体承担的土压力分担到临时支撑和环梁之上,降低连续墙墙体的内力;采用刚性接头时可以降低临时支撑、环梁以及内衬的内力,但连续墙墙体要能承担极大的竖向弯矩和数值相当的横向弯矩。综合考虑建议工作井采用抗剪不抗弯的半刚性接头。

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明：先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段：基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。

拱北隧道管幕-暗挖法工作井设计关键技术

港珠澳大桥拱北隧道需下穿拱北口岸,由于工程建设不能影响口岸正常通关,隧道口岸段采用了管幕-暗挖法,冻结管幕间土体进行止水的方案实施。隧道施工最大影响宽度22.24 m,高度23.84 m,与工法配套的类似规模工作井未有先例。从如何设计合适的工作井着手,研究工作井设计的关键技术问题。通过综合分析工程建设条件、隧道施工工艺、运营管理需求等,找出工作井设计的关键点。采用多因素交叉耦合法选址、改进群管工作井限界计算公式、明挖顶管工作井实施方案、全寿命周期结构设计等方法对问题逐一解决。工作井在投入使用后达到了预期效果,工程实践证明,此类工作井设计的关键点是工程选址、限界拟定、实施方案选择、结构设计。

超深圆形盾构工作井结构分析与设计实例

华电灵武电厂向银川市智能化集中供热项目黄河穿跨越工程的河东侧盾构工作井埋深41.5 m,地下水位高;工作井为圆形结构,受力体系复杂,需对开洞工况下工作井结构进行分析与设计,以保证结构的安全性与经济性。基于此,文章针对中框架与底板之间的工作井结构,采用二维简化模式、简化梁单元模式与三维模式进行分析,结果表明:工作井开洞位置局部的情况类似拱形构件,随着暗柱等构造措施约束效果的增强,工作井开洞位置附近的受力和变形变小,但暗柱位置处负弯矩增加;设计时应通过设置暗柱、开洞位置内衬加厚的构造措施来改善结构的力学性能,并应合理选择暗柱的尺寸。

大型盾构隧道工作井施工技术

盾构法隧道在一些城市得到广泛利用,双管双向车道盾构隧道的工作井深度和平面尺寸都较大,对施工技术要求很高,施工过程中的难度和风险亦大。该文以上海已建成的大型盾构隧道的工作井为例,分析其施工特点。经实践表明,地下连续墙围护设计合理可靠;坑底和坑外转角加固方法可行,可增加地下连续墙结构的抗倾覆稳定性,减少围护结构的位移,防止转角幅发生扭转变形;框架结构形式不仅能保证围护结构在开挖阶段变形量较小,同时能很好地满足使用阶段功能的要求;针对工程特点,采用的深井降水和土方开挖顺序等技术措施方便有效,保证了工作井施工的成功。

广州盾构电力隧道工作井围护结构施工数值分析

结合广州市220 kV航云输变电电力隧道工程盾构工作井施工实际,通过数值计算模拟了工作井开挖支护施工阶段,得出了以下结论:工作井基坑开挖具有明显的时空效应,基坑土体及围护结构变形是随着开挖深度的增加,逐渐加大;数值计算结果显示,基坑及围护结构整体处于安全可控范围之内,同时施工中应加强对关键部位的监控,采取必要的措施确保施工的安全;信息化施工是优化施工的一种重要技术手段。

汕头华能电厂电缆隧道盾构工作井沉井施工

汕头华能电厂二期工程过海电缆隧道盾构工作井沉井施工处于流塑状淤泥质土中,为保证沉井在接高、下沉过程中稳定、顺利,采取了在沉井内部区域打设砂桩、在沉井外部进行高压深层旋喷桩围护技术措施,取得了良好的效果。还介绍了沉井施工方案和施工技术及监测。

盾构隧道衬砌结构的壳–接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳–接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳–接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳–接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。

软土地层大型盾构工作井合理支护参数研究

控制超大盾构工作井的变形和结构受力状态是跨江跨海盾构隧道工程设计和施工的技术难点。以南京纬三路过江隧道江北盾构始发工作井为例,通过采用四因素三水平正交试验法进行多因素系统分析,研究环梁厚度、连续墙厚度、内衬墙厚度和支撑截面对盾构工作井支护结构的变形和受力的影响规律,得到各个支护结构之间的相互作用关系,并进行分析;对工程的材料成本进行量化分析,在确保结构安全的基础上,提出材料成本最低的设计方案。研究成果表明:使用正交试验设计方法确定工作井合理的支护参数可以大大减少计算数量,在确保结构安全的前提下获得最优的支护参数组合,达到技术、经济最优的效果。

盾构隧道工作井施工对既有铁路影响分析

以武汉市两湖隧道为工程依托,运用数值模拟的方法建立三维工作井-既有铁路隧道-土体精细化模型,对三环线工作井近距离施工对既有铁路隧道引起沉降及受力情况进行分析,结果表明:通过对工作井围护结构合理设计,三环路工作井在施工过程中,既有轨道沉降最大值为0.852mm,沉降在限值5mm范围内;地连墙水平位移满足规范要求。

盾构隧道工作井深基坑围护结构设计优化分析

在深基坑工程项目的实施过程中,应确保该类工程项目设计,能够符合持续化、经济性和安全化等多项基本要求。以十字门隧道工程盾构隧道超深工作井深基坑工程为例,在该类工程项目的基础上,对地下连续墙的施工情况进行分析,根据工程建设现状,促进勘探作业全面开展,确保土体加固深度设置具备适宜性与合理性,以此来保证深基坑工程的稳定性。在基坑支护工程项目的实施过程中,需要涉及到岩土结构等工程类型,基于系统化的形式,合理规避相关干扰因素所带来的影响。在围护结构设计过程中,应对各类结构予以优化并完善,确保基坑工程具备安全性与稳定性。

南湖路湘江隧道盾构井设计

南湖路湘江隧道河东盾构工作井长25 m,北线开挖深度为19.446 m,南线开挖深度为23.828 m,南北线合并开挖总宽36.622 m,为超大、超深基坑工程。阐述了工作井设计思路及支护手段,通过对其围护结构进行受力计算及稳定性分析,证明支护参数合理可靠。

江阴靖江长江隧道工作井侧墙抗裂防渗研究与应用

为解决工作井侧墙混凝土收缩开裂及侧墙顶部与环框梁结合部位不密实而引起的渗漏问题,首先,采用考虑材料、结构、环境、施工等多因素耦合机制模型,量化评估混凝土开裂风险,提出抗裂性控制指标;然后,通过综合运用黏度调控、水化历程与膨胀历程双重调控技术,实现了工作井侧墙中低胶材混凝土自密实性能与抗裂性能协同;最后,结合入模温度控制、冷却水管、控制布料间距与浇筑速率以及保温保湿养护等工艺措施,提出了超长大体积、分步浇筑的工作井侧墙抗裂防渗成套技术方案。工程应用结果表明,工作井侧墙与环框梁结合密实,单边最大长度为53.6 m、一次性浇筑累计长度达120 m、厚1.5 m的工作井侧墙未出现裂缝及渗漏。

盾构工作井新型轻质混凝土封门材料的试验研究

本文结合上海杨树浦电厂取水隧道盾构封门实例，通过室内试验以及强度验算，确定了作为轻质混凝土装配式封门的材料配比。经实践检验，这种材料可用作深埋的水工和交通隧道盾构进出工作井封门的优选材料。

大直径盾构隧道斜螺栓-凹凸榫环缝剪切特性足尺试验研究

为分析大直径盾构隧道纵向连接发展规律,以济南黄河隧道工程为依托,设计管片足尺试验,通过环缝错台量-剪轴比关系及螺栓应变-剪轴比关系,研究大直径盾构隧道(外径15.2 m)环缝接头剪切变形规律及螺栓应变变化规律。根据试验结果,将环缝剪切划分为4个阶段:摩擦阶段(剪轴比0~0.17)、间隙闭合阶段(螺栓顺剪0.17~0.88,螺栓逆剪0.17~0.67)、强化阶段(螺栓顺剪0.88~,螺栓逆剪0.67~0.98)及破坏阶段(螺栓逆减0.98~)。结果表明,逆剪螺栓接头较顺剪螺栓接头更早进入强化阶段,逆剪螺栓接头的破坏剪轴比约为0.98;螺栓逆剪工况接头的抗剪效果低于螺栓顺剪工况,建议施工中错台量宜取12 mm作为控制指标;环缝错台曲线与螺栓应变曲线斜率变化时剪轴比具有一致性,验证了上述各阶段划分的合理性;根据螺栓各应变测点应变发展情况,明确了逆剪螺栓塑性区位置。