2017年, 第30卷, 第8期　刊出日期：2017-08-20

  

• 全选
  |

目录
• Select
  目录

  中国公路学报. 2017, 30(8): 0-0.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
• Select
  封一/四

  中国公路学报. 2017, 30(8): 0-0.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
综述
• Select
  “盾构隧道技术”专刊导语

  中国公路学报. 2017, 30(8): 1-1.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  随着中国新型城镇化的不断快速推进，城镇人口聚集现象不断增加，居民对于空间环境质量要求也不断提高，轨道交通作为绿色环保的公共交通，在解决城市交通拥堵问题的同时，可引导优化城市空间布局，提高城市环境质量。给排水、电力、通信、煤气等各类管线工程及综合管廊等市政基础设施的建设，可进一步提高城市环境质量。盾构法经过200多年的发展和技术革新，已在国内外的隧道及地下空间开发中得到了广泛应用，特别是在目前城市I轨道交通及快速路、给排水工程、电力管线、通信管线、煤气管线、综合管廊等市政基础设施的建设中起到了极其重要的作用。
  中国作为盾构技术发展的后起领航人，已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构技术是岩土工程技术与机械装备技术的有机结合，经过几十年的快速发展，中国制造业规模跃居世界第1位，建立起了门类齐全、独立完整的制造体系。其中，先进的机械制造技术支撑中国盾构实现了自主研发和高度国产化。随着大规模基础设施建设实践和长期的理论、试验研究，中国岩土工程技术取得了长足发展。岩土工程技术与机械装备技术并驾齐驱，促使中国盾构技术日渐成熟。大批省会城市和重要城市迅速掀起的新一轮城市轨道交通建设大潮，极大促进了中国盾构技术的进步；同时，大量超大直径盾构隧道的修建，也进一步推动中国进入世界盾构领域的前列。据不完全统计，目前世界上已建或在建的直径14 m以上的盾构隧道有36座，其中21座在中国，占到了总数的近60%。为了解决上述工程所面临的技术难题，中国在盾构隧道设计方法、施工技术、运营期维护等方面取得了较丰硕的成果，尤其在超大直径盾构设计与施工、各类地层盾构掘削面压力稳定性控制技术、姿态协调性纠偏技术、异形盾构技术、新型驱动技术、刀盘修复技术和快速出碴技术等方面成果显著。
  《中国公路学报》作为中国交通领域最具学术影响力的期刊，肩负着推动交通科技创新和成果转化、引领中国交通行业新技术、为“一带一路”交通基础建设保驾护航的历史责任。为促进业内学者相互了解、相互学习、创新思路、共同进步，进一步推动盾构隧道技术的创新和发展，《中国公路学报》编辑部邀请北京交通大学袁大军教授、西南交通大学何川教授、同济大学朱合华教授、山东大学李术才教授和河海大学朱伟教授进行组稿，天津大学张稳军教授和长安大学叶飞教授负责稿件汇总及整理，以专刊的形式出版了盾构隧道领域具有高水平的创新性研究成果。此次专刊共组约稿件近百篇，经编辑部和组稿老师初审，审稿专家复审，主编终审后，最终录用28篇。在此一并感谢组稿老师和审稿专家的辛劳付出与大力协助。专刊主要针对目前业内学者关注热点的盾构隧道管片及接头受力与设计、壁后注浆、刀盘磨损、盾构隧道衬砌抗震、开挖面及端头井稳定性、管片长期服役性能与耐久性，以及盾构隧道结构性态无线感知技术等研究方向的最新成果进行了梳理、归纳和总结，并分析展望了发展动向。专刊以引领盾构隧道技术革新和学术交流为主旨，汇聚知识，贡献力量，助力盾构隧道技术持续高速发展。
  鉴于城市地下空间开发利用的现状和趋势，建议业内学者重视盾构隧道技术的多元化发展和新型设备的研发，以应对持续增长的工程需求；在城市轨道交通及地下空间的规划上应做长远考虑，以尽可能减少后继工程修建难度骤增的情况。
• Select
  盾构隧道结构计算分析方法研究

  何川, 张景, 封坤

  中国公路学报. 2017, 30(8): 1-14.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了应对盾构隧道因复杂赋存环境、多元结构形式及使用功能所面临的计算模型精细化、荷载取值合理化、计算模型精准化等高要求，通过调研盾构隧道结构分析方法的发展现状，综述了当前盾构隧道结构计算分析中荷载计算方法，并结合近10年来笔者所开展的相关研究工作对盾构隧道静、动力分析方法与计算模型进行了汇总和梳理。在盾构隧道荷载取值方面，阐述了深层空间水土荷载作用机理、施工阶段流固耦合效应以及岩质地层地震荷载合理取值等方面的问题及进展；在结构分析理论及模型方面，重点论述了盾构隧道整体化分析方法的内涵及思路、盾构隧道复杂接缝面力学行为、基于接头非线性抗弯刚度计算的结构分析方法以及结构整体受力特征及破坏模式的试验与实测手段验证三方面取得的成果；综述了以地层-结构组合体系反应位移法和纵向广义反应位移法为代表的盾构隧道横、纵向抗震分析方面的研究成果，并对盾构隧道结构分析中考虑耐久性因素的研究现状做了介绍。最后，针对大深度、高水压、特殊环境等盾构隧道工程的建设形势，展望了盾构隧道结构分析方法的发展趋势。
• Select
  火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

  朱合华, 周龙, 沈奕, 闫治国

  中国公路学报. 2017, 30(8): 15-23,48.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一，其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构，接缝多以螺栓连接，火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏；同时，由于盾构隧道周围地层的约束作用有限，其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性，本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状，对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述，主要包括：火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型，火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型，火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型，火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上，针对大直径盾构隧道的火灾试验，高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计，火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题，展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。
• Select
  泥水盾构开挖面稳定性研究

  袁大军, 沈翔, 刘学彦, 吴俊

  中国公路学报. 2017, 30(8): 24-37.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对不断推进越江海大断面隧道建设的现状，分析了盾构开挖面稳定性对盾构安全掘进的重要性，同时对泥水盾构开挖面稳定的研究方法、研究理论以及拟解决的主要问题等方面进行分析。通过综述国内外泥水盾构隧道开挖面稳定性的研究发展历程及近期新的发展趋势，讨论了已有的泥水盾构开挖面失稳经典理论及模型试验的局限性，介绍了泥水劈裂失稳的判定标准和模型试验等相关研究，同时分析了泥膜及刀盘对开挖面稳定的作用，最后展望了水下隧道，特别是高水压越江海大直径泥水盾构开挖面稳定性问题未来的研究及发展方向。研究主要从经典理论、泥水劈裂和泥膜等方面讨论盾构开挖面稳定等问题，也涉及合理覆土厚度等工程问题。研究结果表明：由于泥水盾构本身的复杂性以及地层的多样性，使盾构与土相互作用下的开挖面稳定问题的研究更为困难；尚没有更具普遍意义的泥水动态成膜评价标准以及刀盘对开挖面的支护作用的研究成果，特别是高水压、复杂地层等条件下的开挖面稳定问题属交叉领域颇多，更需深入研究，方可为工程所用。
分析与计算
• Select
  基于塑性损伤的盾构隧道FRP-Key接头抗剪性能及布置方式合理性研究

  张稳军, 张高乐, 雷华阳

  中国公路学报. 2017, 30(8): 38-48.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为完善FRP-Key接头的设计思路并推广该接头在实际工程中的应用，利用混凝土材料的塑性损伤本构，建立了能够反映管片损伤情况和开裂过程的数值模型。基于已有试验数据，建立FRP-Key接头的实体精细化模型，以充分考虑接头与榫槽之间接触的不连续性。通过与试验结果的对比验证了所建模型的合理性和可行性。设计了7种不同的对称布置方式，以研究其对FRP-Key接头抗剪性能的影响情况。重点分析了不同布置方式中管片-接头结构在剪力作用下的宏观破坏形式，探讨了布置方式对FRP-Key接头极限承载力的影响，初步判断并提出了一定轴力条件下不同破坏形式对应的接头布置范围及最佳布置方式应满足的条件，最后综合工程实际情况给出了FRP-Key接头的应用建议。数值分析结果表明：随着布置方式的变化，榫槽侧管片出现3种不同的破坏形式，其中与理论分析情况相符的布置方式应满足条件：3.125c < d₂ < 5.625c。不同布置方式对应的极限承载力存在区别，当FRP-Key接头靠近管片边缘布置时，与理论计算结果相差最大，差值为10.52%，FRP-Key接头的最佳布置范围应满足条件：3.125c < d₂ < 4.375c。管片-接头结构达到极限承载力时，对应的接头侧管片的竖向位移在1.6~1.7 mm之间。研究结果可作为进一步探讨FRP-Key接头力学性能的参考。
• Select
  考虑黏度时效性与空间效应的C-S双液浆盾构隧道管片注浆机理分析（双语出版）

  叶飞, 孙昌海, 毛家骅, 韩鑫, 陈治

  中国公路学报. 2017, 30(8): 49-56.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  在假定C-S双液浆符合宾汉姆流体的基础上，考虑双液浆黏度时变性与空间效应，并认为盾构隧道管片注浆符合球形渗透模型，通过平衡方程与Dupuit-Forchheimer公式，对宾汉姆流体壁后注浆渗透扩散规律进行理论分析，得到C-S双液浆扩散半径计算公式以及管片受力计算公式。通过具体实例分析了注浆压力、注浆管内浆液流速以及C-S双液浆黏度参数A与参数Y对浆液扩散半径及管片受力的作用，对比了不同注浆参数对注浆效果的影响。结果表明：浆液扩散半径随注浆压力与注浆管内浆液流速的增大而增大，随黏度参数A与参数Y增大而减小，其中注浆压力与参数Y对浆液扩散影响较大，注浆管内浆液流速与参数A对浆液扩散影响较小；管片受力随注浆压力与注浆管内浆液流速增大而增大，但注浆压力的影响效果不断增大而后趋于稳定，注浆管内浆液流速的影响效果不断减弱而后趋于稳定；管片受力随参数A与参数Y增大而减小，其中参数A对管片受力的影响呈负线性关系，影响效果较弱，参数Y对管片受力的影响呈现“三段式”变化——缓慢减小阶段、加速减小阶段以及快速减小阶段，影响效果明显。
• Select
  破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构承载性能与变形控制指标

  刘学增, 蔡光远, 杨帆, 桑运龙, 吴建勋

  中国公路学报. 2017, 30(8): 57-65.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为确定破碎围岩错缝拼装盾构隧道结构变形控制指标，考虑顶部堆载、侧向卸载2种常见荷载工况，开展了错缝拼装盾构隧道承载性能演化规律研究。首先，基于接头刚度等效原则提出了不设传力衬垫的管片接头简化模拟方法，通过与相关文献实测数据对比螺栓轴力计算结果，验证了该方法具有一定合理性和适用性；其次，基于接头简化模拟和荷载结构法进行了隧道结构承载性能数值模拟，分析了管片承载状态随断面变形的发展规律；最后，根据管片承载状态临界点，提出盾构隧道结构安全等级划分方法和断面变形控制指标。研究结果表明：2种工况下管片承载构件屈服顺序存在差异，顶部堆载工况下屈服顺序为拱顶、拱底内侧钢筋，拱腰内侧混凝土，而侧向卸载工况下为拱顶、拱底纵缝螺栓，拱腰外侧钢筋，拱顶、拱底内侧钢筋，拱腰螺栓；考虑隧道耐久性、承载安全性以及结构加固时机，堆载工况下断面变形椭圆度控制值分别为0.712%、1.694%、2.156%，卸载工况下分别为0.876%、1.873%、2.757%。
• Select
  急曲线隧道盾构超挖量及铰接角的理论算法

  陈剑, 李智明

  中国公路学报. 2017, 30(8): 66-73.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为提高盾构机开挖急曲线隧道的能力，应准确预估超挖刀的伸出长度与范围、铰接角等几何作业参数。目前上述参数仅基于盾构与隧道设计轴线的平面几何关系确定，无法适应三维复合曲线隧道的施工要求。基于空间向量分析理论，提出三维复合曲线隧道超挖刀长度与范围、铰接角的理论算法，并基于Fortran语言实现算法的求解。对实际隧道工程盾构的几何作业参数进行了模拟，通过模拟值与实测数据的对比，验证了理论算法的有效性。结果表明：铰接角的实测值与模拟值整体拟合较好，当盾构机在曲线段掘进时，铰接角的实测值略大于模拟值，是由于实际施工中以刀盘的中心点拟合隧道设计轴线为纠偏目标，与理论算法中以管片拼装中心点拟合隧道轴线的理想掘进状态存在差异；模拟的超挖刀范围窄于实测范围，而超挖刀伸出长度的模拟值比实测值略大，存在的微小差异来自于理论算法假定盾构机不挤压地层且周围地层不变形，而实际施工中地层存在一定的变形量。
• Select
  盾构开挖面楔形体支护压力模型分析及改进

  赵文, 程诚, 李慎刚, 徐行, 朱林

  中国公路学报. 2017, 30(8): 74-81,90.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了维持砂土地层盾构隧道开挖面的稳定性，以楔形体模型2种常用的面积等效方法为出发点，对开挖面支护压力计算公式进行推导，同时结合现有楔形体模型与Takano 1g模型试验结果从砂土盾构开挖面破坏区外形的角度改进楔形体计算模型，在考虑松动土压力的情况下提出盾构开挖面主动极限支护压力的计算公式并简化。将Chambon离心模型试验结果与楔形体支护压力计算结果进行对比，并依托西安盾构隧道工程土舱压力监测数据对新公式进行工程应用分析。研究结果表明：采用第1种面积等效方法时的楔形体模型计算结果更为精确，不同模型计算结果出现差异的主要原因来自于楔形体竖直侧面摩擦力的影响，同时提出1.5倍所提简化公式的计算值作为上部土舱压力设定的建议值。
• Select
  基于地层损失的盾构隧道土压力非线性解析方法

  张东明, 张艳杰, 黄宏伟

  中国公路学报. 2017, 30(8): 82-90.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对盾构隧道结构在层状不均匀地层中承受的土压力荷载问题，根据调用强度设计（MSD）原理考虑土体非线性硬化特征，并采用Peck公式对应的土体位移场模式，提出施工不排水条件下盾构隧道结构周围土压力与开挖致地层位移势能的平衡方程，建立改进的隧道结构土压力非线性计算模型，并得到隧道上覆土体为均匀地层和层状不均匀地层2种工况下土压力荷载与地层损失率之间的非线性相关关系。将该计算方法应用于上海地区地铁隧道的土压力荷载计算，详细分析了应力释放系数与地层损失率之间的非线性相关关系，对均匀地层条件下不同的隧道覆土深度、土体强度、土体卸载模量以及侧压力系数进行了参数分析，并对上覆双层地层条件下不同的地层相对刚度、地层相对强度以及双层地层的相对空间位置关系进行了参数分析。结果表明：隧道开挖导致的地层损失对土压力荷载的计算结果具有显著影响，地层应力释放系数随地层损失率的增长呈现较为明显的非线性特征；在均匀地层中，地层刚度对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响较为显著；在层状不均匀地层中，地层相对厚度及地层相对位置对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响同样十分显著。
• Select
  粘贴钢板加固地铁盾构隧道承载性能研究（双语出版）

  刘庭金, 黄鸿浩, 许饶, 杨小平

  中国公路学报. 2017, 30(8): 91-99.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为探究粘贴钢板（简称粘钢）加固盾构隧道衬砌的承载性能和破坏机理，基于上海实施的内张钢圈加固管片衬砌结构试验，建立三维实体精细有限元模型，讨论了通缝隧道衬砌粘钢加固后的力学行为、变形特性和破坏模式，验证了数值仿真手段的可靠性。在此基础上，对广州地铁1号线某区间错缝盾构隧道钢板加固案例展开模拟，评价加固效果。研究结果表明：精细有限元模型能较好地模拟钢板与管片衬砌的共同承载特性，真实反映接头等细部构造的变形及力学指标；粘贴钢板加固后衬砌结构破坏的直接原因是钢板与管片混凝土间环氧树脂黏结失效，呈现明显的脆性特征，常规变形监测难以起到预警作用，应着重关注钢圈与混凝土间黏结状态；某病害错缝盾构隧道进行粘贴钢板作业后承载力提升约59.0%，加固效果显著。研究成果可为相关隧道加固方案的设计与实施提供指导和参考。
• Select
  泥浆颗粒级配和地层孔径对泥水盾构泥膜形成的影响

  加瑞, 朱伟, 闵凡路

  中国公路学报. 2017, 30(8): 100-108.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了研究影响泥水盾构开挖面上泥膜形成质量的主要因素，通过三维颗粒流程序（PFC^3D）模拟了不同颗粒级配和不同密度的泥浆在泥浆压力作用下向不同孔径的地层中移动和泥膜的形成情况。模拟结果表明：增大泥浆d₈₅和泥浆密度有助于在地层表面形成良好的泥膜；地层孔径较大时，不易形成良好的泥膜，需要选择与之匹配的泥浆颗粒级配和泥浆密度。数值模拟得到了与室内试验一致的3种泥浆颗粒堆积形态：泥皮型、泥皮+渗透带型和渗透带型。当泥浆d₈₅与地层平均孔径D_p的比值d₈₅/D_p和泥浆密度较大时，堆积形态为泥皮型；当d₈₅/D_p和泥浆密度较小时，堆积形态为渗透带型。3种泥浆颗粒堆积形态中地层水压力从大到小排序为渗透带型、泥皮+渗透带型、泥皮型，而地层水平应力从大到小排序为泥皮型、泥皮+渗透带型、渗透带型。泥膜的支护机理为由泥浆和地层的水压力差对泥膜的作用力平衡地层的侧向土压力来保持开挖面的稳定。因此，形成的泥膜质量越好，泥膜的渗透系数就越小，泥膜处产生的水压力梯度就越大，可以提供的维持开挖面稳定的水平有效应力也就越大。影响泥膜形成质量的主要因素是泥浆颗粒级配、泥浆密度和地层孔径；在泥水盾构施工时，可以根据地层孔径调整泥浆颗粒级配和泥浆密度，使开挖面上能够形成良好的泥膜，从而保证开挖面的稳定。
• Select
  盾构刀具磨损机理及预测分析

  吴俊, 袁大军, 李兴高, 金大龙, 沈翔

  中国公路学报. 2017, 30(8): 109-116,142.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为准确判断和预测盾构刀具服役寿命周期，指导盾构掘进施工，采用理论分析推导和实测工程数据分析的方法，对盾构隧道掘进过程中的刀具磨损机理和磨损预测模型进行分析研究。基于金属摩擦学理论，分析得到盾构刀具磨损主要由磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损3种机制共同组成，其中磨粒磨损和黏着磨损是盾构刀具磨损的主要原因。针对盾构掘进刀具磨损定量计算，考虑磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损共同作用，结合Rabinowicz磨粒磨损、Archard黏着磨损和疲劳磨损计算公式，引入科罗拉多矿业大学滚刀破岩力学模型和中南大学切刀破岩力学模型，推导得到盾构滚刀和切刀磨损预测通用计算模型；基于大连某盾构区间的复杂地层刀具磨损实测数据，借助于MATLAB软件编程，对实测数据进行分析，并与预测模型计算值对比。结果表明：模型预测值与实测磨损数据的误差小于15%，表明了预测模型具有较好的准确性；采用该模型对不同地层条件下刀具磨损量预测可行，研究结果对盾构掘进中的刀具磨损预测和开仓换刀时机选择具有较好的指导意义和工程实际意义。
• Select
  砂层盾构隧道端部土体滑移破坏模式分析

  宋克志, 宋祎, 王梦恕, 孙谋

  中国公路学报. 2017, 30(8): 117-124.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了分析盾构进出洞时隧道端部土体的失稳破坏模式，为端部土体合理加固范围的确定提供理论依据，基于颗粒流分析程序（PFC），对砂层盾构隧道端部土体的失稳破坏过程和机理进行了数值分析，并采用FLAC3D程序进行对比验证。根据土体滑动规律，给出一种对数螺旋线与直线组合的滑动破坏模式，运用颗粒流计算数据对滑动面进行曲线拟合，并进行相关性分析和显著性检验，得到颗粒摩擦因数取不同数值时的土体滑移面曲线方程。研究结果表明：隧道端部连续墙破除后，土体先在洞门附近发生局部破坏，随后土体颗粒松动破坏向内部发展，颗粒逐步发生位移重定向，最终在土体内部形成了一条显著的滑动破坏面，若隧道埋深较浅，滑动面将延伸贯通至地表；随着土体强度的增高，土体滑移直线倾角变大，对数螺旋线初始半径变小，土体破坏范围相应变小，端部土体越稳定，反之，端部土体滑移范围就会变大，稳定性变差；端部土体经过局部加固后，土体变形较小，内部不能形成滑动面，端部土体稳定性得以提高。
• Select
  腐蚀离子环境中盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理

  刘四进, 何川, 孙齐, 封坤, 陈小坚

  中国公路学报. 2017, 30(8): 125-133.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为揭示外水压与周围腐蚀离子环境长期耦合作用下盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理，对压力渗透下管片混凝土多孔介质渗透深度与离子侵蚀运移进行理论解析，建立管片接头离子侵蚀对流-弥散运移数值模型，在一维渗流状态下验证了考虑压力渗透作用的腐蚀离子侵蚀理论的合理性，并建立可考虑压力渗透、离子对流-弥散运移以及管片接头非连续的盾构隧道衬砌结构离子侵蚀数值模型，重点分析了整环管片衬砌结构侵蚀劣化规律。结果表明：水压力的存在对海水渗透具有促进作用，外水压力越大，对海水渗透效果越显著；外水压力的增大将导致氯离子含量的增加，外水压力越大，同一位置累积到相同离子浓度所需的累积时间越短；管片接头处离子含量分布具有局部集中的特点，整环管片衬砌结构离子侵蚀大小关系为拱顶 < 拱腰 < 拱底；服役初期仅管片接头附近外排钢筋出现锈蚀，而后出现外排钢筋整体性锈蚀，体现出不均匀锈蚀的特点，且随着服役时间的延长，外排钢筋不均匀锈蚀差异减小。
试验与探讨
• Select
  盾构隧道钢纤维混凝土管片接头极限承载力试验

  龚琛杰, 丁文其

  中国公路学报. 2017, 30(8): 134-142.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对钢纤维混凝土管片在盾构隧道工程中应用日益频繁的现状，以盾构隧道钢纤维混凝土管片接头为试验对象，采用足尺试验方法对钢纤维混凝土管片接头和传统钢筋混凝土管片接头的极限承载能力进行研究，归纳宏观破坏现象，获得了荷载-挠度曲线和弯矩-转角曲线等整体力学响应特性，得到了荷载-螺栓应变关系和荷载-混凝土表面应变等局部力学响应特性，分析了受压区剪裂缝的扩展规律，探讨了接头的延性指标，并对接头进行了基于性能的极限承载能力评价。研究结果表明：钢纤维混凝土管片接头的开裂荷载比钢筋混凝土管片接头提高12.9%；钢纤维混凝土管片接头的极限荷载与钢筋混凝土管片接头基本一致（略微增加4.4%）；钢纤维混凝土管片接头具有优良的抗裂能力，受压区剪裂缝数量为1个，少于钢筋混凝土管片接头的3个，承载能力极限状态时的最大裂缝宽度从3.82 mm减少到1.35 mm，正常使用状态时的最大允许裂缝宽度（0.2 mm）对应的荷载抗力提高了43.75%；钢纤维混凝土管片接头的受力性能优于钢筋混凝土管片接头；研究成果可为钢纤维混凝土管片在盾构隧道工程中的应用提供理论支撑和技术参考。
• Select
  大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

  金跃郎, 丁文其, 姜弘, 魏于量, 龚琛杰

  中国公路学报. 2017, 30(8): 143-148,155.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态，进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行，采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程，同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化，对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究，并将其分为3个阶段：弹性变化阶段（弯矩小于450 kN·m）、塑性发展阶段（弯矩为450~800 kN·m）、屈服破坏阶段（弯矩大于800 kN·m）。试验结果表明：正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800 kN·m，极限抗弯承载力为884 kN·m，均远大于该管片接头设计荷载（534 kN·m），意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求，并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明，除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外，所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态，即接头盒断裂和锚固失效。
• Select
  高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验

  朱建文, 孟晗, 闫治国, 周龙, 朱合华, 官林星, 沈奕

  中国公路学报. 2017, 30(8): 149-155.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  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。
• Select
  盾构隧道管片衬砌拼装效应局部原型结构加载试验

  邱月, 何川, 封坤, 张力, 孙齐

  中国公路学报. 2017, 30(8): 156-163,215.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对盾构隧道块体间由于拼装咬合引起局部结构刚度分布不均匀，从而导致结构受力与变形不同于均质连续管状结构体的现象，采用自主研发的局部原型结构加载试验系统装置，分别选取盾构隧道管片衬砌结构中的原型单体管片与考虑前后环错缝拼装组合的原型管片衬砌局部构件进行加载试验，对比分析了其受力特征的差异，并探讨了不同轴压比、偏心距以及螺栓初始预紧力下管片结构受拼装效应的影响规律。研究结果表明：单体管片工况下，结构受两侧支座的影响较大，沿结构环向其内力、变形分布均极不均匀，沿幅宽方向，内力呈对称分布，中部大、两侧小，竖向位移基本保持不变；考虑前后环错缝拼装组合工况下，结构受两侧支座的影响较小，沿结构环向，其内力、变形对称分布，较单体管片更为均匀，沿幅宽方向，内力、变形的变化规律与单体管片基本一致；偏心距对结构弯矩的影响大于轴力，不同偏心距下，轴力调整系数α在-0.04~0.02之间，弯矩调整系数β在0.17~48之间；螺栓初始预紧力仅对构件纵缝截面的轴力影响较大，对α和β的影响较小；拼装效应能显著降低结构受两侧支座的影响，对管片的受力变形起到较为明显的传递和重分配作用，使其对称均匀化。
• Select
  类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

  柳献, 叶宇航, 刘震, 杨志豪, 朱瑶宏

  中国公路学报. 2017, 30(8): 164-173.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性，针对2环纵向接缝构造相同，管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力，利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果，对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理；并对比分析了2环试验结构试验结果，探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后，从结构鲁棒性角度出发，分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标，对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价，并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标，为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明：类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处；纵向接缝构造形式相同前提下，管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显，不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升；管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性，可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。
• Select
  考虑行波效应的盾构隧道多点振动台试验（双语出版）

  袁勇, 包蓁, 禹海涛, 季倩倩

  中国公路学报. 2017, 30(8): 174-182.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了研究长盾构隧道在考虑行波效应的地震动作用下的纵向响应规律，以上海沿江通道盾构隧道为原型，利用多功能振动台台阵系统，设计并完成了盾构隧道的多点振动台模型试验。鉴于长大盾构隧道工程规模和多点振动台试验系统的能力，试验几何相似比确定为1：60；基于Buckingham-π定理以及量纲分析方法，确定了试验所需的土与结构的动力相似关系；为了模拟沿隧道纵向的行波输入，设计并制作了节段式模型箱，箱体总长22 m，分为4个主动箱以及3个从动箱，箱体之间通过弹簧铰相连；以砂子和锯末按照一定质量比拌合来优化配置模型土，并通过室内三轴试验进行测试验证；考虑土-结构相对刚度相似比为控制指标，选取PE材料作为模型材料；根据刚度等效原理，设计并制作了盾构隧道的多尺度结构模型。试验以上海人工波为地震动输入，通过一系列工况的多点振动台试验模拟，得到了行波效应下盾构隧道模型结构的地震响应规律。试验测试数据包括行波效应下模型土和模型结构的加速度响应、隧道管环环缝的伸缩量响应等。对比分析了一致输入和行波输入下隧道结构的动力响应。试验结果表明：相比一致激励输入，行波效应会明显放大模型结构的加速度响应和环缝变形响应，从而对隧道抗震产生不利影响；地震动非一致激励应该在盾构隧道的纵向抗震设计中得到足够重视。
• Select
  盾构隧道-工作井节点振动台试验设计与分析

  禹海涛, 张敬华, 袁勇, 季倩倩

  中国公路学报. 2017, 30(8): 183-192.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究盾构隧道-工作井节点地震响应特征，进行振动台模型试验。该试验几何相似比为1：60，盾构隧道模型材料为聚乙烯，工作井模型采用尼龙材质进行3D打印技术制作；模型土采用砂与锯末按1：2.5质量比混合配置；模型箱尺寸为10.0 m×4.5 m×1.5 m的刚性箱。盾构隧道模型由衬砌环模型拼装而成，衬砌环模型纵向切槽模拟纵缝对管片横向刚度的弱化；通过环间卡扣式连接键模拟纵向螺栓，通过旋转模型拼装角度模拟管片错缝拼装。首先进行自由场模型试验，考虑不同地震动输入，得到模型土加速度响应；其次开展盾构隧道-工作井节点振动台模型试验，考虑不同地震动输入方向、不同地震动类型，得到隧道模型环缝张开量、加速度响应、环向应变等数据。研究结果表明：模型箱结构设计合理，边界条件满足要求，试验数据可靠；工作井模型和盾构隧道模型加速度响应频率成分相同，均受模型土控制，两者差异主要为加速度响应幅值不同；盾构隧道-工作井节点在地震作用下环缝张开量明显大于远离该节点的常规区段，前者为后者的1.6~4.5倍；地震动输入方向会导致区间段隧道模型环缝张开量明显变化，但对盾构隧道-工作井节点环缝张开量无显著影响；地震作用下盾构隧道-工作井节点会使工作井模型产生较大环向应变，但不会造成节点处盾构隧道模型环向变形增大。
• Select
  盾构隧道联络横通道地震响应振动台试验

  何悦, 何川, 耿萍, 张景, 代聪, 张竹清

  中国公路学报. 2017, 30(8): 193-200.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为探讨盾构隧道与联络横通道采用不同连接方式时的地震响应特性，基于考虑横向弯曲刚度有效率的等效刚度模型，采用4~28 Hz的正弦拍波作为输入地震波，开展了几何相似比为1：40的振动台模型试验，模型制作中将盾构隧道与联络横通道分别浇筑后采用不同刚度的材料进行粘接，以模拟盾构隧道与联络横通道的刚性连接方式和柔性连接方式，同时研究了地层和结构的加速度响应规律以及结构关键位置处的应变频谱特性。研究结果表明：地震动沿隧道横断面方向输入时，地层在竖直方向上加速度放大倍率随高度增加而增大；盾构隧道与横通道连接位置拱顶处的环向应变远小于纵向应变；盾构隧道与横通道连接位置拱脚处的主应变响应峰值最大；刚性连接下联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响区域在3倍横通道横断面宽度范围左右；柔性连接可有效减小盾构隧道和联络横通道结构上各点的应变峰值，但不会改变其频谱特性；柔性连接可使联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响范围减小至2倍横通道横断面宽度左右。
• Select
  强震作用下大断面海底盾构隧道管片环缝防水性能

  谢宏明, 杜彦良, 何川, 封坤, 刘四进, 张景

  中国公路学报. 2017, 30(8): 201-209.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为探明强震作用下导致的盾构隧道管片接缝大张开情况下的防水性能，以在高烈度区修建的大断面海底盾构隧道——苏埃通道工程为依托，通过有限元数值分析建立纵向等效刚度模型及隧道全长震动分析模型，确定了高烈度区强震作用下管片环缝的震动张开量，并根据张开量的大小类比既有大断面盾构隧道防水标准，建立了高烈度区强震作用下大断面盾构隧道环缝防水指标；通过接缝防水试验，优化了密封垫及沟槽截面尺寸，并据此提出了强震作用下的大断面海底盾构隧道管片环缝防水的合理形式。结果表明：强震作用时三段硬岩凸起处、接收井处及多地层交互处环间接缝张开量显著大于其他区段，其环间张开最大值远大于既有大断面盾构隧道的张开量，应对此类区段采取特殊的抗震措施，降低环缝张开量；仅增加密封垫的厚度达不到强震条件下的防水要求，并且密封垫的压缩应力会急剧提高，于管片拼装不利，同时提高密封垫截面并加深密封垫沟槽可提高抗水压能力，且密封垫的压缩应力能达到一个合理值，不影响管片的拼装效率。研究结果可为苏埃通道工程及类似工程的管片接缝防水设计提供参考。
• Select
  砂卵石地层中泥膜支护土压盾构施工试验

  钱勇进, 朱伟, 闵凡路, 杜瑞, 王超

  中国公路学报. 2017, 30(8): 210-215.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了给盾构机在砂卵石地层中安全顺利的掘进提供参考，针对砂卵石地层中土压盾构掘进时开挖面稳定性难以控制、泥水盾构渣土排出困难的情况，提出一种使用泥膜支护开挖面，并使用螺旋排土器进行排土的新型盾构施工方法。考虑泥浆掺加量对泥浆砂卵石混合土在地层中的渗透及支护应力传递模式的影响，进行了不同泥浆掺加量下泥浆砂卵石土的渗透试验研究。在自制的渗透试验装置中，对6组不同泥浆掺加量的泥浆砂卵石混合土进行渗透试验，通过测定压力作用下地层及混合土中超静孔隙水压力及滤水量变化，分析泥浆砂卵石混合土的支护应力传递模式，讨论泥膜支护土压盾构的泥浆掺加量范围。结果表明：随着泥浆掺加量的增加，地层中的超静孔隙水压力消散速率在增加；存在3种应力传递模式，分别是孔隙水压力型传递、泥皮加渗透带型泥膜传递以及泥皮型泥膜传递；泥浆掺加量为23%~25%时可以实现泥膜支护。
• Select
  反压条件下泥水盾构开挖面泥膜致密性评价试验（双语出版）

  闵凡路, 徐静波, 宋航标, 柏煜新, 杜佳芮

  中国公路学报. 2017, 30(8): 216-221,246.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了准确评价泥水盾构存在反向水压条件下开挖面形成泥膜的致密程度，利用自制的可施加反压的泥浆渗透装置，开展6组不同压力条件下的泥浆渗透试验，通过测试试验过程中的滤水量和地层孔压的变化，以及形成泥膜的厚度和含水量，计算泥膜渗透系数、干密度及有效泥浆压力转化率等指标，分析有、无反压条件下泥膜的致密程度差异及其形成机理。研究结果表明，反压的存在降低了有效泥浆压力转化率，使得形成的泥膜孔隙比和渗透系数更大，干密度更小，即泥膜结构更为疏松；采用滤水量与泥膜体积的比值较单独采用滤水量可以更准确地评价泥膜的致密程度，其比值越大表示单位体积的泥膜内含有的土颗粒越多，泥膜结构越致密。研究结果对实际工程中泥膜质量的评价及开挖面稳定性分析有重要意义。
工程应用
• Select
  盾构隧道结构性态无线感知方法

  王飞, 黄宏伟, 薛哲敏, 何斌

  中国公路学报. 2017, 30(8): 222-228.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了实现盾构隧道结构性态多参量感知，构建盾构隧道运营期无线传感网络系统，考虑盾构隧道运营环境振动及粉尘、电磁干扰等特点，针对盾构隧道结构病害种类及特征，采用微机电系统研发适用于盾构隧道的无线倾角传感器、渗漏水传感器和接缝传感器。针对盾构隧道超长线性特征，采用二层网络拓扑技术，基于ZigBee协议和3G协议构建无线传感网络系统，实现对盾构隧道结构性态的多参量实时无线监测，并通过现场应用验证了系统的可靠性。结果表明：在隧道邻近基坑开挖过程中，无线传感系统可实时反映隧道结构性态变化规律。在基坑开挖不同阶段，结构变形速率与渗漏水状态实时发生相应变化；多种感知参量间数据相互支撑，盾构隧道横向收敛、纵向相对沉降与渗漏水发展规律一致；多种传感参量综合分析可更好地掌握隧道结构状态，如通过接缝传感器和倾角传感器数据综合分析，可知隧道结构发生向基坑侧旋转。因此，综合多种结构状态量监测可更加完整有效地反映盾构隧道在运营中的结构状态，从而为结构安全预警及合理养护提供技术依据。
• Select
  护盾式TBM隧道回填层对管片受力的影响

  吴圣智, 黄群伟, 王明年, 姜志毅, 刘大刚

  中国公路学报. 2017, 30(8): 229-237.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了探明回填层对护盾式TBM隧道运营阶段管片受力的影响，建立考虑回填层的围岩抗力系数计算方法，为隧道设计中地层抗力系数的确定提供理论基础，设计相应的模型试验，对比了有回填层和无回填层时管片的受力特点，并采用厚壁圆筒理论推导了围岩-回填层等效弹性抗力系数的计算方法。研究结果表明：有回填层和无回填层时，管片运营阶段的弯矩、轴力、变形具有较大的差别，回填层的作用不可忽略；回填层厚度、泊松比、弹性模量、管片外半径均对围岩-回填层等效弹性抗力系数产生影响，其中回填层弹性模量为主要影响因素；回填层存在一个临界弹性模量，当回填层弹性模量大于临界弹性模量时，计算得出的围岩-回填层等效弹性抗力系数大于围岩弹性抗力系数，回填层对围岩起到增强作用，研究给出了回填层临界弹性模量计算公式，并得出回填层临界弹性模量取值与围岩弹性模量密切相关；考虑回填层的数值计算结果更接近模型试验结果，验证了围岩-回填层等效弹性抗力系数计算方法的准确性。
• Select
  水下盾构隧道的合理覆土厚度数值模拟分析

  郭彩霞, 王梦恕, 孔恒, 史磊磊

  中国公路学报. 2017, 30(8): 238-246.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对水下隧道长期赋存于富水环境中，围岩的力学性质较差，地层的成拱能力降低的特点，研究水下盾构隧道的合理覆土厚度，为设计与施工提供参考。在国内外学者研究成果的基础上，依托具体的工程实例，鉴于实际施工中盾尾管片壁后注浆对盾构隧道的动态上浮作用和对地层沉降的影响，进而确定对盾构隧道最小覆土厚度的影响，同时基于水下隧道突水风险研究，综合考虑水、土、注浆浆液的动态影响，通过对颗粒流数值模拟结果进行分析，给出水下盾构隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度临界值的判定依据和条件，采取必要的信息化施工和响应联动措施，控制水下盾构隧道浅覆土穿越水体地层变位，保证工程和环境的安全。研究结果表明：双洞隧道的地表沉降曲线基本符合Peck沉降槽理论，随着埋深的增加，地表沉降将由2个独立的沉降槽逐渐发展叠加为1个新的沉降槽；对于依托工程而言，隧道覆土厚度的临界值为1.3D；围岩的竖向位移随距隧道中心线距离的增大而减小，当距离增大到0.5D后位移变化不再显著；隧道开挖后，由于隧道顶部土体拱效应的发挥，不同埋深情况下作用在管片上的土压力将明显小于初始土压力，且压力值与埋深成正比。