类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构设计及参数研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道适用于渡线段的应用,施工过程中施作立柱,在稳定阶段拆除立柱以达到最终运营稳定状态,全过程中存在结构受力机制的变化。为了形成适用于类矩形无立柱隧道结构的设计方法并探究不同参数的影响,有必要开展相关理论研究。方法:明确了类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构在施工、运营全过程所受荷载状态;基于修正惯用法(等效刚度均质环模型)建立设计模型,探究了施工全过程及直接施加运营工况荷载2种不同工况下的结构响应,并与足尺试验结果进行了对比验证。基于设计模型,对侧压力系数、偏载值、结构埋深等多个关键因素开展了敏感性研究,分析了对衬砌结构受力及变形的影响。结果及结论:采用修正惯用法并直接施加最终运营阶段稳定荷载能满足类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的工程设计要求,但需要将设计值放大5%~10%,该结论也得到了足尺试验的支持。不同设计参数对结构响应的影响程度不同,其中单侧偏载和结构埋深对于设计的影响更大,同时进一步揭示了腰部负弯矩接头的薄弱特征。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构力学性能模型研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道结构能适用于隧道渡线段,但缺乏该新型结构的针对性力学性能分析模型,故有必要对此开展研究。方法:基于无立柱盾构隧道原型结构试验结果,初步分析了钢结构管片在设计运营工况下的整体变形及位移特征。进一步采用等效刚度均质环模型和梁-弹簧模型对结构的受荷响应进行了模拟,其中梁-弹簧模型的计算参数通过接头足尺试验来标定。将2种模型的计算结果与足尺试验结果进行对比,分析了不同模型的优劣,给出了不同模型的适用范围。最后,结合力法原理和2种计算分析模型对类矩形无立柱衬砌结构的变形机理进行了分析,探究钢结构管片不同部分的变形贡献。结果及结论:等效刚度均质环模型及梁-弹簧模型均可用于类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的计算分析,其中梁-弹簧模型对于钢结构管片力学性能的模拟更加精确,尤其是在变形方面;等效刚度均质环模型对于钢结构管片响应的模拟精度稍差,但是用于结构设计仍然能保证足够的安全储备。针对结构变形机理的分析表明,类矩形无立柱盾构隧道结构的收敛变形主要来源于管片本体及接头两部分,其中接头变形约其占2/3。

地铁单圆盾构隧道与类矩形盾构隧道叠交方案研究

宁波某地铁工程正线单圆盾构隧道与出入段线类矩形盾构隧道叠交,基于施工时序不稳定的背景条件,借助Plaxis3D软件建立三维有限元模型,对先上后下、先下后上等方案进行研究,比选不同方案对区间隧道的变形影响,其中先下后上方案区间隧道变形较小,予以推荐,同时建议采取一定的地基加固保护措施。

连接螺栓对类矩形盾构隧道结构极限承载力影响的试验研究与分析

针对类矩形盾构隧道衬砌结构纵向接缝处弯矩正负性确定的特点,对纵向接缝连接螺栓位置进行了优化。基于结构整环足尺试验结果,对比分析了优化前后衬砌结构整体变形、接缝变形和螺栓应变的发展,研究了优化前后结构设计阶段受力性能、破坏机制、极限承载力和鲁棒性的异同。研究结果表明:(1)螺栓位置优化对结构设计阶段受力性能影响较小;(2)优化后结构在带缝工作阶段的受力性能明显提升,结构整体刚度提高,极限承载力提高30%;(3)优化后结构破坏呈延性破坏特征,属于塑性铰机制,结构结构整体安全性得到提高。

类矩形盾构隧道衬砌结构极限承载力足尺试验研究

文章针对轨道交通类矩形盾构隧道结构的承载性能,结合足尺结构的静载试验,对试验过程中的结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等进行了描述,对结构的承载性能和破坏机理进行了分析研究。

类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究。研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度有效率为1,中性轴位于截面上部外缘;随着弯矩进一步增加,环缝逐渐张开,同时中性轴位置逐步下移,等效纵向抗弯刚度减小;纵向等效抗弯刚度有效率随环缝作用区系数增大呈现先迅速下降而后缓慢减小的趋势;螺栓预紧力越大,纵向等效刚度越大,中性轴位置随之上移;随宽高比增大,等效纵向抗弯刚度有效率逐渐下降,中性轴位置随之下移,并在中性轴位置角与小圆弧圆心角相等时出现转折点。

类矩形盾构隧道结构极限承载力分析

建立考虑材料非线性与几何非线性的类矩形盾构隧道结构受力非线性数值模型。利用该模型对极限工况下的三组试验结构进行数值模拟,并将数值模拟结果与整环足尺试验结果进行对比,验证该模型的正确性和有效性。最后,对影响类矩形盾构隧道结构受力性能和极限承载力的关键因素进行参数分析。结果表明:类矩形盾构隧道结构破坏源于管片接头破坏,最终因T块管片破坏导致结构失去承载力,结构破坏模式与纵向接头、管片本体及中柱的力学性能相关;类矩形盾构隧道结构理想的破坏模式是在管片接头充分发挥承载力的同时,管片本体主筋屈服、结构发生延性破坏。

类矩形盾构隧道密封垫耐久性分析

文章以宁波市轨道交通3号线类矩形盾构隧道密封垫设计为背景,对弹性密封垫的耐久性试验进行了分析研究,将密封垫接触应力损失分为短期物理松弛和长期老化,采用高温老化模拟密封垫长期应力衰减,并采用基于橡胶动力学曲线经验公式的P-T-t三元数学模型拟合百年应力衰减曲线,得到最终的接触应力。研究结果表明:接触应力松弛时变模型能很好地拟合长期老化引起的应力衰减过程;密封垫长期防水性能的下降主要是由老化而产生的应力松弛而引起的;设计的弹性密封垫能够满足正在修建的宁波轨道交通3号线出入段线和将要建设的4号线类矩形盾构隧道百年防水性能要求。

类矩形盾构隧道防水设计及相关拼装参数分析

文章以宁波市轨道交3号线类矩形盾构隧道工程为背景,在总结以往双圆盾构和单圆盾构设计经验的基础上提出,类矩形盾构隧道的密封垫设计应满足防水设防要求,且应具备高扯断强度和较低闭合压缩力的特点;在对防水沟槽进行优化的基础上,对2通种密封垫设计方案进行了防水试验对比分析;并根据闭合压缩力试验结果对相关的拼装参数进行了研究。

类矩形盾构隧道上穿施工引起既有隧道剪切错台变形研究

基于镜像法和Mindlin解,建立类矩形盾构隧道上穿施工计算模型,推导出土体损失、盾构正面推力、盾壳摩擦力和注浆压力在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式。采用剪切错台模型将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理得出既有隧道的竖向位移计算公式。依托工程实例,对比理论计算结果和数值模拟结果,验证本文计算方法的适用性。最后,分析既有隧道的竖向位移、环间错台量和剪切力随掘进施工的变化过程,并对工程中的关键参数进行敏感性分析。研究结果表明:相比于Winker地基梁模型,剪切错台模型计算结果与数值模拟结果更接近,验证了本文计算公式的正确性;随着新建隧道掘进,既有隧道的隆起变形、环间错台量和剪切力不断增大,在盾构机通过既有隧道轴线20 m后趋于稳定;在既有隧道隆起变形最大处,环间错台量和剪切力最小;在隆起变形曲线反弯点处,环间错台量和剪切力最大;随着隧道矩形长边宽度和土体损失间隙增大,既有隧道隆起变形增加,隆起拱宽度增加;随着既有隧道埋深增加,隆起变形减小,隆起拱宽度变化不明显。

类矩形盾构隧道横向刚度有效率分析

基于变形等效,建立类矩形盾构管片结构梁-接头模型,研究通缝、错缝拼装下类矩形盾构隧道横向刚度有效率。分析地基抗力系数、接头刚度比及接头数量对刚度有效率的影响,并建立了类矩形盾构隧道刚度有效率计算公式。研究结果表明:通缝、错缝拼装下管片结构横向刚度有效率平均值分别为0.47和0.54,错缝比通缝提高约15%。刚度有效率随地基抗力系数的增加呈非线性增长,随接头刚度比的增大呈线性增长,随接头数量的增加呈线性减小。类矩形盾构管片横向刚度有效率在0.3～0.8之间变化。建立的刚度有效率计算公式拟合精度高,可为类矩形盾构隧道结构计算提供依据。

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。

类矩形盾构隧道衬砌结构设计模型研究

为了得到适用于类矩形盾构隧道结构设计模型,通过整环足尺试验模拟类矩形盾构隧道在正常运营工况下的实际受力,得到试验结构的变形和内力,采用等效刚度模型和梁-弹簧模型对试验结果进行分析,得到有效的类矩形盾构隧道结构设计参数.结果表明:采用等效刚度模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,难以得到同时符合结构长短轴变形的管片刚度折减系数;采用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,结构变形和结构内力计算结果和足尺试验结果较为匹配,能真实反应类矩形盾构隧道结构受力,选用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型更为合理,所研究类矩形结构管片接缝的抗剪刚度建议为341×106~368×10^6 N/m;负弯矩接缝抗弯刚度建议为114×10^6~491×10^6 N·m/rad,正弯矩接缝抗弯刚度范围为85×10^6~177×10^6 N·m/rad.

类矩形盾构隧道衬砌结构受力性能的足尺试验研究

随着城市化的不断发展,探索空间利用效率高的地下空间开发手段成为实现城市可持续发展的必然途径。文章通过对新型的类矩形盾构隧道结构进行的整环足尺结构静载试验,研究了类矩形盾构隧道衬砌结构在正常运营和施工阶段同步注浆工况下的受力性能,具体介绍了试验方案,以及施工阶段同步注浆工况设计荷载作用下的结构裂缝、结构变形、结构内力、接缝变形和连接螺栓的受力情况;对结构的受力模型以及不同工况下的结构内力进行了分析比较,可为新型盾构隧道衬砌结构的设计和施工控制提供技术支持和依据。

类矩形盾构隧道结构计算方法研究

文章针对类矩形盾构隧道结构的设计,以宁波轨道交通3号线出入段线为工程背景,结合足尺结构试验对不同设计分析模型进行了分析对比,计算分析了结构对于各个设计参数的敏感性。研究结果表明,修正惯用法及梁-弹簧法都适用于类矩形盾构隧道结构的计算;同时,侧压力系数、偏载、拱背土压力、结构埋深、水土合算或分算、结构偏转等因素对于结构内力均有不同程度的影响,在结构设计时应作具体考虑。

大断面类矩形盾构隧道管片接头极限抗剪切承载力试验研究

类矩形盾构隧道具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点,在城市高密度区域具有广泛的应用前景。相较于广泛使用的圆形隧道,类矩形隧道由于自身成拱效应较差,隧道肩部接头结构易产生较大的剪切荷载,有必要对接头的剪切性能进行研究。文章以某大断面类矩形盾构隧道为原型,以混凝土管片接头为试验对象,采用足尺试验方法对其抗剪切性能进行研究,归纳宏观破坏现象,获得了剪轴比(接头剪力/轴力)-相对错台量关系等整体力学响应特性,得到了剪力-螺栓应变曲线和剪力-混凝土表面应变等局部力学响应特性,并引入数字照相分析技术(DIC)对接头结构的开裂破坏全过程进行记录,分析剪切裂缝的扩展规律,最后对结构的抗剪承载性能进行评价。基于试验数据总结了管片错台随剪轴比的"四阶段"变化规律:克服摩擦阶段(剪轴比小于0.4)、间隙闭合阶段(剪轴比为0.4~0.75)、抗剪强化阶段(剪轴比为0.75~2.76)、屈服破坏阶段(剪轴比大于2.76)。试验结果表明,剪切荷载作用下该断面形式的大断面类矩形盾构隧道接头抗剪切屈服剪轴比为2.76,具有较好的抗剪切承载性能。研究成果可以为类似类矩形盾构隧道工程提供理论支撑和技术参考。

类矩形盾构隧道管片及立柱拼装误差仿真研究

文章以宁波轨交3号线类矩形盾构隧道项目为背景,研究了盾构隧道衬砌拼装缺陷的形成机理和控制措施;通过建立类矩形盾构隧道管片几何模型,并考虑管片三维六自由度位移,提出了管片拼装误差仿真计算方法;并对制作误差和拼装定位误差进行了量化,编制了拼装仿真程序,对衬砌管片拼装进行了模拟。根据拼装仿真结果,结合施工要求和规范要求,得出了误差累积最小的拼装顺序及误差控制措施,预测了隧道管片和立柱的拼装质量,可为实际施工的质量控制提供依据。

宁波轨道交通3号线出入段线类矩形盾构隧道工程勘察实践与建议

为了解决软土城市开展国内首条类矩形盾构隧道工程勘察遇见的技术难题,从勘察执行的技术标准及等级的确定、勘察的重难点、勘察方案、高流变性软土工程地质特征、场地水文地质条件、工程措施建议等方面进行分析。主要得出以下结论:1)按现行《城市轨道交通岩土工程勘察规范》3.0.8条文及说明、7.3.5条文分别确定软土地区场地复杂程度等级、类矩形盾构隧道工程勘探孔深度,结果往往会偏于保守、安全,势必会造成勘察工作量浪费问题;2)在第四纪松散海相沉积软土地区建设类矩形盾构隧道,按中等复杂场地控制勘探孔间距,以分别进入隧道底以下不小于2H(一般性孔,H为隧道高)、3H(控制性孔)控制勘探孔孔深是经济合理且满足工程需求的;3)本工程勘察方案对今后类矩形盾构隧道工程勘察及相关勘察规范标准修编具有一定的参考价值。

类矩形盾构隧道施工时对周边建筑物的保护

为进一步完善类矩形盾构法隧道的施工保护技术,以宁波轨道交通4号线类矩形盾构区间为工程背景,开展了建筑物保护施工配合研究。经工程实践检验证明,类矩形盾构法隧道施工技术在沿途近距离侧穿老旧建筑的情况下,对周边的地层环境有较好的保护效果,验证了类矩形盾构法隧道工法在城市核心区、老旧城区地下空间诸多限制条件下修建隧道的优越性。

多次风险管控理论在类矩形盾构隧道中的应用

盾构隧道施工极其复杂兼具风险,传统的风险分析方法仅对项目的初始风险进行评估,且局限于风险发生概率和潜在损失这两个元素;然而随着施工的进行,外部环境因素的变化和施工措施将导致项目初始风险改变,引发不可忽略的二次风险。文章介绍了一种可对施工全过程进行实时动态控制的多次风险管理理论,将其措施成本作为第3个元素融入二次风险评估中;在风险可接受的前提下,选择各方案中措施成本最低的方案为最优方案,并建立易操作的实时动态风险管控流程,并将其理论应用于国内首个类矩形盾构隧道项目施工中,以证实多次风险管理理论和管控流程的有效性,为今后类似工程的风险管理提供借鉴。