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复杂受荷下盾构隧道原型结构试验平台的研发与实证

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岩土工程学报 2024年第5期46卷 927-937页

作者：柳献刘震叶宇航姚鸿梁同济大学地下建筑与工程系上海200092 广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510000 上海同禾工程科技股份有限公司上海200092

盾构隧道结构在全寿命周期中往往将面临诸多复杂荷载状态,如注浆、偏载、偏转等非对称偏不利工况。为验证结构在这些复杂荷载状态下的适用性,探究结构力学性能,开展足尺原型结构试验研究往往是最为直接而有效的手段。既有原型试验主要... 详细信息

盾构隧道结构在全寿命周期中往往将面临诸多复杂荷载状态,如注浆、偏载、偏转等非对称偏不利工况。为验证结构在这些复杂荷载状态下的适用性,探究结构力学性能,开展足尺原型结构试验研究往往是最为直接而有效的手段。既有原型试验主要关注隧道结构在简单对称荷载条件下的力学性能,鲜有关注复杂非对称荷载状态。为拓展原型试验的适用范围,提出了适用于不同断面盾构隧道结构的原型试验平台和用于模拟复杂荷载状态的试验荷载设计方法。该方法适用于任意加载点布置和液压站分组的试验系统,可对注浆、偏载、偏转等复杂荷载状态下结构响应进行精确模拟。通过类矩形盾构隧道、双圆隧道和圆形隧道的偏载原型结构试验研究,验证了试验平台和试验荷载设计方法的适用性。进一步针对试验关键参数的分析表明,控制目标权重系数的调整能有效满足不同的试验模拟要求;基于试验荷载设计方法优化的迭代算法能有效考虑计算模型或边界支承条件的非线性;环箍钢绞线和千斤顶的组合加载模式能将拟合误差水平降低至千斤顶加载模式的1/5,但需要删去部分加载点使试验荷载合理且适用;对于越复杂的结构和荷载,精确模拟结构状态需要的试验系统独立荷载组数越高,对试验平台的要求也越高。

关键词：复杂受荷状态原型试验试验平台试验荷载设计断面形式

盾构隧道进出洞施工渗漏诱发结构倒塌试验研究

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隧道建设（中英文） 2024年第6期44卷 1184-1193页

作者：柳献孙齐昊范森同济大学土木工程学院上海200092

为明确隧道进出洞施工时因渗漏而诱发的结构倒塌发展过程,设计并开展缩尺模型试验。根据相似关系设计模型试验,制作模型土体与模型盾构隧道。参考实际进出洞施工渗漏事故案例,触发模型盾构隧道渗漏,在模型箱内重现隧道结构倒塌的全过程... 详细信息

为明确隧道进出洞施工时因渗漏而诱发的结构倒塌发展过程,设计并开展缩尺模型试验。根据相似关系设计模型试验,制作模型土体与模型盾构隧道。参考实际进出洞施工渗漏事故案例,触发模型盾构隧道渗漏,在模型箱内重现隧道结构倒塌的全过程,并观测事故发展过程中的地层响应、隧道外部土压力变化、隧道倒塌发展过程。通过分析隧道进出洞施工中不同位置发生渗漏后结构的倒塌响应,对比不同位置渗漏对隧道进出洞施工致灾发展过程的影响。试验研究发现:1)隧道进出洞施工发生渗漏后,外部土体由于渗流侵蚀产生不稳定土洞,土洞经历了形成—失稳—再现的循环过程;2)隧道结构倒塌是由不稳定土洞失稳坠落冲击隧道结构导致的;3)隧道顶部和腰部2种不同位置渗漏后外部土体侵蚀发展的本质相同,但是不同渗漏位置产生的土洞形状有明显差异,导致最终隧道倒塌位置有所差异。

关键词：盾构隧道进出洞施工渗漏结构倒塌土体侵蚀

纵向力对快速连接件管片环缝剪切性能影响研究

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隧道建设(中英文) 2024年

作者：罗旭秦楠叶宇航高学奎徐文田柳献同济大学土木工程学院民航机场规划设计研究总院有限公司广州地铁设计研究院股份有限公司

为明确“平接头+快速连接件”新型管片环缝抗剪性能，设计不同纵向力工况下的环缝抗剪室内试验，通过对环缝剪切试验的试验现象及荷载-错台曲线，分析该新型环缝抗剪机制，并得到不同纵向力对于环缝抗剪的影响规律，同阶段环缝抗剪刚度... 详细信息

为明确“平接头+快速连接件”新型管片环缝抗剪性能，设计不同纵向力工况下的环缝抗剪室内试验，通过对环缝剪切试验的试验现象及荷载-错台曲线，分析该新型环缝抗剪机制，并得到不同纵向力对于环缝抗剪的影响规律，同阶段环缝抗剪刚度及环缝承载力。主要结论如下：1）相比传统“平接头+斜螺栓/弯螺栓”环缝而言，该类型环缝在发生错台时，快速连接件可及时发挥抗剪，能有效抑制环缝错台；2）由于环缝弹性阶段抗剪刚度远大于塑性阶段，在隧道施工运营过程中，对于采用文中尺寸的快速连接件环缝，为保证环缝抗剪性能可将错台量控制5.51mm内。

关键词：管片环缝剪切性能纵向力快速连接件盾构隧道

单洞双线盾构隧道中隔墙顶部节点形式与力学性能研究

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隧道建设（中英文） 2024年第6期44卷 1223-1232页

作者：葛照国唐泽人陈辰杜亚南柳献中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京211800 同济大学土木工程学院上海200092

为探究单洞双线盾构隧道中隔墙合适的顶部节点形式及各节点形式的力学性能,总结现有工程中隔墙顶部节点形式,并对各节点形式提出简化模型,采用理论方法对简化模型力学性能进行分析,并利用数值模型验证简化模型的合理性及各节点形式的力... 详细信息

为探究单洞双线盾构隧道中隔墙合适的顶部节点形式及各节点形式的力学性能,总结现有工程中隔墙顶部节点形式,并对各节点形式提出简化模型,采用理论方法对简化模型力学性能进行分析,并利用数值模型验证简化模型的合理性及各节点形式的力学性能与适用范围,得到如下结论:1)螺栓配合角钢或连接件的方式更适合于全预制中隔墙;2)所提出的简化模型具有较好的参考性,可应用于中隔墙顶部节点的初步设计;3)顶部采用连接件可形成协调受力,提高顶部节点受力性能,建议今后单洞双线盾构隧道中隔墙顶部节点采用该形式。此外,竖向铰支座模型受力形式合理,今后工程可基于该模型进行实践探索。

关键词：单洞双线盾构隧道预制中隔墙顶部节点节点形式力学性能

基于全盾壳模型的类矩形盾尾力学性能数值模拟研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：沈皓潘汪洋石元奇翟一欣柳献同济大学地下建筑与工程系上海城建隧道装备有限公司

盾壳是保护盾构机内部人员设备安全的重要屏障，盾尾作为盾壳结构中用于管片拼装区域，无法加装大型隔板以及肋条等加固措施，是盾壳最薄弱的位置，且类矩形盾尾的受力性能与传统圆形盾尾存在明显差异。为真实地反映类矩形盾尾的受力性... 详细信息

盾壳是保护盾构机内部人员设备安全的重要屏障，盾尾作为盾壳结构中用于管片拼装区域，无法加装大型隔板以及肋条等加固措施，是盾壳最薄弱的位置，且类矩形盾尾的受力性能与传统圆形盾尾存在明显差异。为真实地反映类矩形盾尾的受力性能，验证类矩形盾尾在各种施工荷载下的安全性并指导后续优化设计，使用abaqus有限元软件建立了包括前壳体1、前壳体2、后壳体和盾尾四部分的全盾壳模型，并在模型中考虑了盾尾刷和盾尾油脂腔荷载的影响，就直线掘进工况下盾尾的受力性能进行模拟研究。结果表明：背景工程中的类矩形盾尾变形最大与应力最大位置均位于盾尾自由端拱顶处，其在18m埋深下的直线掘进工况下最大应力48.58MPa，最大水平变形5.88mm，最大竖向变形16.66mm，具有足够的刚度与强度储备，满足施工安全要求；全盾壳计算模型相较于仅考虑盾尾的计算模型的计算结果更接近于工程实测数据，可以认为全盾壳模型能更真实准确地反映盾尾的力学性能；盾尾油脂腔荷载显著影响盾尾变形和应力的计算结果，在盾尾力学性能研究中应考虑该荷载的影响，而盾尾刷由于刚度过小，对盾尾整体的受力性能没有明显影响；通过参数分析，明确了地层性质、埋深和盾尾厚度对盾尾受力性能的影响规律，而顶推力对盾尾受力性能影响较小。

关键词：类矩形盾尾全盾壳模型力学性能数值模拟参数分析

运用C-T型快速连接件的大直径盾构隧道纵缝接头力学行为分析

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中国公路学报 2024年

作者：柳献白海文张帆赖鹏邦章邦超叶宇航同济大学土木工程学院广州地铁设计研究院股份有限公司中铁建华南建设有限公司

以运用C-T型快速连接件的大直径盾构隧道在受非均布水土压力作用后，在隧道内产生较大内力和在不同接头位置产生不同轴力和弯矩等问题为背景，开展了足尺实验研究。针对大直径盾构隧道内力大和管片厚的特性，设计了单排和双排C-T连接件... 详细信息

以运用C-T型快速连接件的大直径盾构隧道在受非均布水土压力作用后，在隧道内产生较大内力和在不同接头位置产生不同轴力和弯矩等问题为背景，开展了足尺实验研究。针对大直径盾构隧道内力大和管片厚的特性，设计了单排和双排C-T连接件分布的两种纵缝接头，通过试验深入研究了它们的承载性能和适用性。此外，针对不同轴力和弯矩组合，设计了不同偏心距试验，来定量探究两种C-T型快速连接件接头在不同偏心距下的力学行为。最后，对比讨论了两种接头的受力演变特征、破坏模式和受力机制等。结果表明：(1)C-T型快速连接件接头在受力全过程中主要有自协调阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形阶段；(2)偏心距对接头受力的影响规律可以用指数递减函数来概括；(3)连接件的受力状态和预埋件对周围混凝土的作用情况，都是影响单排C-T连接件接头和双排C-T连接件接头承载性能的关键因素，两种接头的破坏模式有所区别；(4)双排C-T连接件接头的承载力和转动刚度大于单排C-T连接件接头，但延性偏小。通过以上对C-T型纵缝接头的全过程受力机制的探究，为进一步提高C-T型纵缝快速接头在大直径盾构隧道中的运用，提供了指导和数据支撑。

关键词：隧道工程 C-T连接件足尺试验大直径盾构隧道纵缝接头

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新型接头盾构隧道衬砌结构破坏模式研究

铁道标准设计 2024年

作者：何应道柳献吴鑫林张肇一李一伦中铁第四勘察设计院集团有限公司同济大学土木工程学院

为了研究新型接头盾构隧道在极限工况下衬砌结构和新型接头的受力性能和变形趋势，以及为了总结衬砌结构长期服役期间可能出现的破坏模式，以南京江心洲污水收集系统二通道新建工程为背景，开展采用快速连接件的盾构隧道三环衬砌结构整... 详细信息

为了研究新型接头盾构隧道在极限工况下衬砌结构和新型接头的受力性能和变形趋势，以及为了总结衬砌结构长期服役期间可能出现的破坏模式，以南京江心洲污水收集系统二通道新建工程为背景，开展采用快速连接件的盾构隧道三环衬砌结构整环足尺试验。通过加载和卸载来模拟隧道的设计工况和极限工况，观察试验期间管片裂缝发展趋势，同时通过传感器测量衬砌结构和接头的变形及内力，得到新型接头盾构隧道衬砌结构的破坏链与破坏机理。试验结果表明：（1）衬砌结构整体变形呈“横鸭蛋”模式，极限工况下结构顶部主筋内侧受拉、外侧受压，接头较多的腰部变形较大；（2）纵缝接头在结构达到弹性极限前张开量较小，达到弹性极限时接头张开量最大为4.47mm。同时，经过极限工况试验总结破坏模式发现，衬砌结构从受力到破坏共经历3个阶段：弹性-弹塑性-塑性，最终结构由于形成多个塑性铰而整体失稳破坏。接头连接件受力也经历弹性-弹塑性-塑性3个阶段，塑性阶段又可分为应力停留、下降和增长3种模式。

关键词：盾构隧道快速接头整环足尺试验内力和变形破坏模式

基于既有盾构隧道暗挖地铁车站结构力学行为研究

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城市轨道交通研究 2024年

作者：张中安潘野郭振坤张姣龙柳献深圳地铁建设集团有限公司中国铁路设计集团有限公司同济大学地下建筑与工程系

深圳市轨道交通14号线肿瘤医院站采用大直径（8.5m）盾构隧道扩挖的“先隧后站”方式完成暗挖车站建造，暗挖车站主体与附属出入口连接时需对隧道衬砌进行局部大尺寸开口，隧道开口施工过程中结构安全性是车站暗挖方案顺利实施的关键。... 详细信息

深圳市轨道交通14号线肿瘤医院站采用大直径（8.5m）盾构隧道扩挖的“先隧后站”方式完成暗挖车站建造，暗挖车站主体与附属出入口连接时需对隧道衬砌进行局部大尺寸开口，隧道开口施工过程中结构安全性是车站暗挖方案顺利实施的关键。因此，文章采用考虑衬砌结构环纵缝影响的多环壳-刚性梁-接触衬砌计算模型对车站暗挖过程进行分工况模拟，保证结构设计安全性，并探究封顶块位置、内支撑形式、隧道开口尺寸等关键设计参数的结构影响。通过结果分析，文章为肿瘤医院车站提供设计依据和工程建议，并可作为后续隧道开口研究工作的数据参考。

关键词：盾构衬砌暗挖车站局部开口关键设计参数

大直径盾构隧道新型纵缝接头抗弯性能试验研究

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地下空间与工程学报 2024年第2期20卷 497-506页

作者：柳献师一鸣胡秋斌曹伟飚李文勇同济大学土木工程学院上海200092 上海申通地铁集团有限公司上海201102

纵缝接头是盾构隧道受力性能的薄弱部位,管片接头的形式直接影响盾构隧道的力学性能。目前国内的盾构隧道纵缝接头使用的连接件多为螺栓,新型纵缝接头使用了一种新的连接件—滑入式连接件,此种接头在大直径盾构隧道中的受力性能有待研... 详细信息

纵缝接头是盾构隧道受力性能的薄弱部位,管片接头的形式直接影响盾构隧道的力学性能。目前国内的盾构隧道纵缝接头使用的连接件多为螺栓,新型纵缝接头使用了一种新的连接件—滑入式连接件,此种接头在大直径盾构隧道中的受力性能有待研究。本文以新型纵缝接头为研究对象,针对两种不同型号的滑入式连接件,采用模型试验的方法探究了大直径盾构隧道新型纵缝接头的受力性能,通过理论分析计算了新型纵缝接头的极限承载力,并比较分析了传统螺栓纵缝接头和新型纵缝接头的受力性能。结果表明:新型接头衬砌管片的薄弱部位在连接件周围的混凝土区域;滑入式连接件的型号直接影响新型纵缝接头的受力性能,两种接头中连接件尺寸较大的接头转角刚度相较于连接件尺寸较小的接头转角刚度增加了7.2~169.5%,极限承载能力增加了69.9%;新型纵缝接头比螺栓接头有更高的转角刚度,受力性能更好,适用于大直径盾构隧道。

关键词：盾构隧道管片接头滑入式连接件抗弯刚度受力性能