水压条件下盾构隧道双层衬砌力学特性分析

内水压作用下城市深埋盾构隧道结构的力学特性较为复杂。以某城市污水处理工程深隧段为依托,建立基于壳-弹簧理论的双层衬砌数值计算模型,对盾构隧道双层衬砌在不同结构层间接触状态、不同围岩条件、不同内水压力等情况下力学特性进行研究。研究结果表明:管片与二次衬砌间层间剪切或压缩刚度越大,结构的整体受力性能越好,二次衬砌的弯矩值相对越小；同等层间压缩或剪切刚度下,有压条件下二次衬砌正弯矩与负弯矩均小于无压条件,且随着层间接触刚度的增加,两者之间的差值逐渐增加；结构层间接触状况是影响管片与二次衬砌间内力分配的首要因素,而外部地层条件的影响相对较小；相对于硬岩加软弱围岩地层而言,上软下硬地层双层衬砌的受力更为不利。

本文首先探讨了当今盾构隧道工程中单层衬砌结构所暴露出的缺陷并分析原因.其次总结现有工程中双层衬砌结构形式,并对双层衬砌结构的两种形式,叠合式衬砌结构、复合式衬砌结构进行力学分析,推导出衬砌结构层间压缩刚度,以及双层衬砌结构层间剪应力和相对滑动位移的关系式,掌握其力学性能.

本文首先探讨了当今盾构隧道工程中单层衬砌结构所暴露出的缺陷并分析原因.其次总结现有工程中双层衬砌结构形式,并对双层衬砌结构的两种形式,叠合式衬砌结构、复合式衬砌结构进行力学分析,推导出衬砌结构层间压缩刚度,以及双层衬砌结构层间剪应力和相对滑动位移的关系式,掌握其力学性能.

以武汉地铁越长江盾构隧道江中段联络通道及集水井为依托,提出一种适合砂性地层高水压条件下地下结构施工力学行为数值模拟的计算处理方法。即耦合使用地层-结构法和荷载-结构法,对土体和水体进行分别处理。其中,地层依据地层-结构法按实际地层建模,容重采用干容重;水体则作为荷载直接施加在结构表面,水体所产生荷载根据施工过程施加;结构未修建之前按水压施加在底部透水性较差基岩上进行地层初始应力场计算。将上述方法应用于武汉地铁越长江盾构隧道联络通道及集水井施工力学行为数值模拟中,得出影响钢管片、联络通道衬砌和集水井衬砌变形及应力分布的关键因素;验证提出的适合砂性地层高水压计算处理方法的可行性,并提出针对性建议。

上软下硬复合地层在盾构施工中常常造成盾构掘进姿态不佳及地表塌陷,严重时还可能导致管片局部出现破损。结合深圳地铁7号线穿越上软下硬地层的工程实例,采用数值模拟方法研究盾构隧道穿越上软下硬地层段（“由软入硬”与“由硬入软”）的施工力学特性,对地表及管片拱顶沉降、管片应力的变化规律进行分析,研究结果表明：盾构在穿越上软下硬交界地层过程中,地表沉降出现显著增大（增量最大可达1cm）,拱顶不均匀沉降的现象较为严重;对较软侧地层进行适当加固,可以有效减小上软下硬地层交界处的地表及管片拱顶沉降,同时能够降低“由软入硬”段管片的应力水平。

盾构隧道衬砌管片在施工与运营过程中容易产生纵向裂纹,对管片的承载能力有较大影响。本文依托成都地铁2号线牛王庙—牛市口区间盾构隧道,应用有限差分软件建立裂损管片壳-弹簧计算模型,分析裂纹数量与裂损程度对管片力学特性的影响。结果表明:纵向裂纹会导致其附近管片的内力比无裂纹时明显减小；存在多条裂纹(单一分块仅出现单条裂纹)时,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围并未产生叠加,在同一裂纹影响区单条裂纹与多条裂纹作用效果相近；随着裂损程度的增加,裂纹附近管片的内力逐渐降低,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围有所增加。

研究目的:文章以合武铁路大别山隧道为背景,对ⅳ级围岩条件下采用的单层衬砌结构的接触力学特征、不同施工阶段的受力特征以及围岩稳定性等进行研究,并对单层衬砌结构的力学特征进行探索,以期为类似工程的设计和施工提供参考。研究结论:(1)相对于复合式衬砌而言,单层衬砌接触压力普遍较大,最大压力易出现于拱脚处,最小压力易出现于仰拱处,而其二衬的内力显著小于复合衬砌。(2)单层衬砌结构内力在隧道施工的不同阶段,初期支护与二衬的内力先按时间分配,后按刚度分配。(3)隧道左右拱腰侧与拱脚处的围岩的yai值较小,容易发生失稳,应加以防范。

盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨

在武吉高速公路何市隧道施工过程中,对ⅳ类围岩条件下初期支护变形、接触压力和支护结构内力进行了监测。通过对监测数据的分析与整理,对初期支护的变形、锚杆内力、围岩与初衬间压力、初衬与二衬间压力以及初衬内力的稳定规律进行了研究,认为初期支护变形在距掌子面3倍洞径左右即已趋于稳定,而因为应力调整,衬砌内力与衬砌与围岩间压力在距掌子面6倍洞径左右趋于稳定。根据内力监测数据的稳定情况确定二衬施工时间,可减少因过早施工二衬造成二衬内力较大的危险性,从而提高隧道支护结构的整体稳定性,可为同类工程参考。

从辽宁锦州拟建地下储库工程现场钻取典型花岗岩岩芯,进行不同冻结温度(-10℃～-50℃)和不同含水状态(干燥和饱和)的单轴及三轴压缩试验,分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数c,?值随温度的变化关系。试验结果表明:(1)无论干燥还是饱和试样,微风化花岗岩单轴及三轴抗压强度随着低温温度的降低而提高,但呈现非线性增加的趋势,得到花岗岩抗压强度随低温温度变化的非线性关系拟合式,并认为微风化花岗岩存在一个抗压强度趋于稳定的温度界限值,此值约为-40℃;(2)微风化花岗岩在干燥和饱和条件下,黏聚力c值随温度的降低而增大,在干燥条件下尤为明显。干燥条件下,微风化花岗岩内摩擦角随低温温度降低变化较小,摩擦角基本保持在57°左右,饱和条件下,微风化花岗岩内摩擦角随温度降低而增加,由-10℃～-50℃增长幅度约为3.43%。该研究成果可为液化天然气(lng)的低温地下存储提供一定的力学参数依据。

锦屏二级电站是利用雅砻江大河湾地形设计修建的巨型电站,其高埋深带来的高外水压力和高地应力问题是水电工程建设世界性难题。如何在高外水压力条件下合理地设计衬砌结构,保证隧洞交通和引水发电功能的可靠实现,关系到该电站能否顺利建设和发挥效益,也关系到未来在雅鲁藏布江大河湾地带及类似情况下修建隧洞的可行性,事关重大。结合工程实践经验和理论分析,提出了一些有针对性的解决方案,供参考。

采用两阶段分析方法,提出隧道施工对群桩水平位移和内力影响的简化解析计算方法:第一阶段采用loganathan解析解估算隧道开挖引起的土体水平自由位移场,第二阶段首先基于winkler地基模型把桩视作弹性地基梁,将自由土体位移施加于桩并建立单桩水平位移控制方程,然后应用简化mindlin方程,考虑被动群桩的桩-桩相互影响,计算被动群桩的遮拦效应,最后得到隧道开挖对被动群桩的影响,并与边界元法分析结果及工程实测数据进行对比,得到了较好的一致性。

古水11孔套管封固不良,受矿压影响,钻孔漏水,具有水量大、水压高等特点,处理难度大,充分分析钻孔漏水原因,准确运用注浆工艺,合理选择注浆材料,动水条件下成功地在井下封堵了漏水钻孔,对处理类似钻孔提供一定的参考。

针对目前世界最大直径水下盾构隧道的工程背景和劣化环境,通过分析衬砌劣化机理和行业规范标准确定了以有效厚度考量衬砌结构劣化,采用强度折减原理对强度参数进行逐步地折减,建立了考虑地层土性和覆土厚度影响的水下盾构隧道衬砌劣化模型,运用数值计算方法分析了衬砌劣化的多种组合工况,从而对衬砌劣化引起上海长江隧道(崇明越江通道)变形的特征表现和趋势规律进行了研究和探讨。研究结果表明:基于有效厚度折减的衬砌劣化分析方法能够有效地反映劣化后隧道结构的整体变形状况,且计算结果可靠合理,可为盾构隧道健康状态诊断与分析提供理论依据和技术支持,也可为运营管理部门正确及时的养护维修提供借鉴和指导。

高围压高水压条件下大理岩断口微观机理分析与试验研究——为了探讨高围压高水压对大理岩变形、强度、脆–塑转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响，取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力–应变过程三轴压缩对比试验，然后，对...

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0.6mpa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%。

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究——随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要，越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景，从现场采集的煤岩和砂岩为代表，进行常温(+2o℃)和不同冻结温度（-5℃...

针对施工期盾构隧道管片衬砌的受力特性及其施工荷载对管片结构造成的影响开展研究。首先,对施工期管片所受施工荷载进行系统总结,包括千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾壳作用力、拼装荷载及其他荷载等;进而将施工阶段管片衬砌的受力特性归纳为典型三维特性、不确定性及不可忽视性等三方面。在此基础上,对施工荷载对管片结构的影响进行了分析讨论,包括施工期的管片裂缝、局部破损、止水条损坏、管片渗漏、管片错台等。最后,从掘进千斤顶控制、注浆压力控制、螺栓二次预紧等角度对施工期盾构隧道的管片破损保护工作提出了建议。分析表明,对盾构隧道施工期管片受力特性及其影响的研究亟待深入,管片设计及相关规范亦应更加重视施工荷载的作用及其影响。

火灾下盾构隧道衬砌结构反应数值分析——文章利用大型通用有限元程序ansys12．0，初步建立起了三维盾构隧道火灾结构反应的数值模拟方法。进行了火灾　　下盾构隧道衬砌的结构反应计算，分析了衬砌结构的火灾变形性能与受力性能。最后对火灾下的隧道衬砌圆环承...

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。

高应力条件下,地下工程在脆性岩体中施工很容易导致岩爆的发生。以n-j水电站大埋深引水隧洞为研究对象,首先采用应力解除法进行现场地应力测试,发现引水隧洞的地应力以构造应力为主,最大主应力达到了107mpa,较高的地应力水平是导致现场岩爆发生的主要原因。为进一步分析引水隧洞岩爆规律,将地应力场转换至隧道局部坐标,在考虑地应力场剪应力影响的情况下,采用能量判据,通过数值方法计算得到了岩爆的分布范围。

通过数学物理模型的建立，采用数值计算法，计算了真空炼钢条件下，通过产生的ｃｏ气泡脱氮的动力学规律，找出了不同深度产生的ｃｏ气泡脱氮的不平衡参数和脱氮数量与熔池深度的关系。