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盾构隧道联络通道涌水涌砂诱发结构倒塌试验

中国公路学报 2024年第9期37卷 119-132页

作者：柳献孙齐昊范森同济大学土木工程学院上海200092

国内外盾构隧道建设施工过程中发生过多起由于局部涌水涌砂进而诱发结构倒塌的事故,造成巨大的经济损失。由于隧道倒塌事故具有突发性与隐蔽性的特点,针对盾构隧道结构倒塌的发展过程与力学机理的研究尚处于起步阶段,难以针对性提出有... 详细信息

国内外盾构隧道建设施工过程中发生过多起由于局部涌水涌砂进而诱发结构倒塌的事故,造成巨大的经济损失。由于隧道倒塌事故具有突发性与隐蔽性的特点,针对盾构隧道结构倒塌的发展过程与力学机理的研究尚处于起步阶段,难以针对性提出有效的防控措施。为了探明盾构隧道联络通道涌水涌砂进而诱发结构倒塌的机理,为后续防控措施提供理论基础,以上海地铁4号线事故案例为研究背景,设计并开展了盾构隧道联络通道涌水涌砂诱发结构倒塌的模型试验,重现了盾构隧道倒塌的发展过程,对倒塌过程中的地层响应与隧道响应进行了讨论,进而提出隧道渗漏诱发结构倒塌的发展过程与原因。结果表明:①隧道渗漏后渗流侵蚀作用在外部地层产生土洞,土洞在形成→失稳→再现的过程中向地表发展;②地层土拱效应造成隧道外荷载重分布,进而引发隧道结构大变形;③土洞达到临界高度时地表土体失稳坠落,冲击荷载造成隧道结构倒塌,试验中最大冲击荷载达到正常水土荷载的13倍;④初步提出用于计算隧道受冲击荷载的理论计算公式。

关键词：隧道工程结构倒塌模型试验冲击作用土拱效应渗流侵蚀

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

地表堆载作用下双圆盾构隧道破坏机制试验研究

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岩土工程学报 2024年

作者：柳献刘震李家平王如路同济大学地下建筑与工程系上海申通地铁集团有限公司

盾构隧道在服役期间，易受周边工程活动影响导致较大的变形或内力响应。为研究双圆盾构隧道在周边环境扰动下的结构鲁棒性能，为隧道运维提供理论依据，设计并开展了双圆盾构隧道原型结构破坏性试验，采用拟静力试验方法模拟了隧道结构... 详细信息

盾构隧道在服役期间，易受周边工程活动影响导致较大的变形或内力响应。为研究双圆盾构隧道在周边环境扰动下的结构鲁棒性能，为隧道运维提供理论依据，设计并开展了双圆盾构隧道原型结构破坏性试验，采用拟静力试验方法模拟了隧道结构在地表堆载意外作用下的外部荷载状态。基于对试验过程中结构和接头的变形响应演化分析，揭示了双圆盾构隧道结构的破坏机制。研究结果表明，双圆盾构隧道结构在地表堆载意外工况下呈现典型初始线性、塑性损伤快速累积和整体失稳三个阶段。当长轴收敛变形达到25mm左右时，6号、8号和3号负弯矩接头依次进入弹塑性阶段，结构整体亦进入塑性损伤快速累积阶段（第二阶段）。当左半环底部7号正弯矩接头外弧面混凝土压溃，内弧面铸铁手孔板开裂后，结构基本进入整体失稳阶段（第三阶段）。最终随着左半环上角部B7管片本体受弯破坏，结构彻底丧失承载能力。结构鲁棒性评价表明，双圆盾构隧道相比类矩形盾构隧道更好地利用了圆形隧道的优良受力性能，整体鲁棒性评价指标也更高。研究进一步建立了结构整体收敛变形和接头转角、接头张开量的相互关系，发现受结构、接头构造及材料性能影响，双圆盾构隧道结构在地表堆载意外工况下初期变形主要来源于3号、6号和8号负弯矩接头，在第二阶段后期随着内力重分布，7号正弯矩接头迅速达到线性极限，并进入塑性状态，导致结构左半环收敛变形快速发展。根据结构及接头受力机制，实际隧道运维期间重点监测的关键部位应包含结构长短轴收敛变形、腰部及小海鸥块侧负弯矩接头内弧面压碎及正弯矩接头内弧面张开情况。

关键词：双圆盾构隧道原型结构试验地表堆载破坏机制鲁棒性评价监测部位

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盾构隧道施工期渗漏聚氨酯堵漏作用机制研究

隧道建设（中英文） 2024年第S1期44卷 82-91页

作者：柳献孙齐昊范森舒计城同济大学土木工程学院地下建筑与工程系上海200092 中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京211800

为探明隧道渗漏时聚氨酯的堵漏机制,设计并开展盾构隧道渗漏与聚氨酯注浆堵漏模型试验,通过试验分别对不同地层中隧道渗漏引发的外部地层侵蚀发展规律以及注浆堵漏的作用机制进行研究。研究表明:1)隧道渗漏后砂土与粉土地层周围孔隙水... 详细信息

为探明隧道渗漏时聚氨酯的堵漏机制,设计并开展盾构隧道渗漏与聚氨酯注浆堵漏模型试验,通过试验分别对不同地层中隧道渗漏引发的外部地层侵蚀发展规律以及注浆堵漏的作用机制进行研究。研究表明:1)隧道渗漏后砂土与粉土地层周围孔隙水压力迅速下降,水在压力差的作用下以渗流形式向渗漏点补给,造成周边地层侵蚀破坏,但2种地层侵蚀发展规律不同。2)砂土与粉土地层中聚氨酯注浆堵漏机制相似,均可分为3个发展阶段,第1阶段聚氨酯反应释放大量气体,抵抗渗流水压;第2阶段聚氨酯固化,封堵渗漏通道,实现堵漏效果;第3阶段聚氨酯彻底固化,引起隧道结构外部荷载重分布。3)由于砂土与粉土地层渗流侵蚀规律不同,聚氨酯注浆堵漏效果有所差异,粉土地层注浆堵漏效果更好。

关键词：盾构隧道渗漏模型试验聚氨酯堵漏机制

盾构隧道渗漏灾害中堵漏浆材作用机制试验研究

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隧道建设（中英文） 2024年第8期44卷 1632-1642页

作者：孙齐昊范森柳献同济大学地下建筑与工程系上海200092

注浆堵漏常用于盾构隧道渗漏事故的抢险过程中,合理的注浆能够有效封堵渗漏点,避免险情进一步恶化。为研究不同地层中隧道渗漏后不同堵漏材料的作用机制,基于不同地层侵蚀状态下盾构隧道发生渗漏险情后的发展特征,提出渗流型和空洞型2... 详细信息

注浆堵漏常用于盾构隧道渗漏事故的抢险过程中,合理的注浆能够有效封堵渗漏点,避免险情进一步恶化。为研究不同地层中隧道渗漏后不同堵漏材料的作用机制,基于不同地层侵蚀状态下盾构隧道发生渗漏险情后的发展特征,提出渗流型和空洞型2种渗漏事故类型;进一步考虑注浆材料物理化学性质的差异,将堵漏浆材划分为膨胀型和黏结型2种不同类型,从而通过模型试验研究不同类型浆液在不同渗漏事故类型中的作用机制。研究表明:1)注浆封堵的机制是浆液固化物通过膨胀性或者黏结性在接触面上形成较强的正应力,当接触面正应力超过水压力时,外部流水无法进入隧道内部,堵漏成功;2)渗流型地层中浆液扩散距离主要受到浆液凝结时间、地层渗透系数、浆液黏度、注浆压力、水力梯度等因素的影响,并通过试验给出浆液扩散距离的经验公式;3)渗流型地层中,油性聚氨酯反应生成固化物膨胀挤压周边地层,通过挤压力抵抗外水压力,水性聚氨酯的接触面挤压力小于油性聚氨酯,通过包水性消耗孔隙水,同时结合挤压力实现堵漏;4)空洞型地层中,油性聚氨酯固化物以自密封的形式、水性聚氨酯以黏结力和自密封共同作用的形式实现堵漏效果;5)空洞型地层中,堵漏注浆的浆液扩散过程受浆液及其生成物密度的影响,针对不同渗漏位置需要选用不同的浆液类型。

关键词：盾构隧道渗漏灾害堵漏注浆模型试验封堵机制

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盾构管片接缝渗漏水原因分析及优化措施研究

都市快轨交通 2024年第5期 101-106页

作者：单晓波钟元元武文清李一伦中铁十四局集团大盾构工程有限公司江阴海达橡塑股份有限公司同济大学土木工程学院

盾构隧道整体结构中，管片接缝是防水体系最为薄弱的部位，其防水性能直接影响到整个隧道的稳定性和使用寿命，而随着结构设计和施工方法的不断创新，盾构隧道接缝的防水性能研究和优化也至关重要。本研究首先从弹性密封垫的防水原理出... 详细信息

盾构隧道整体结构中，管片接缝是防水体系最为薄弱的部位，其防水性能直接影响到整个隧道的稳定性和使用寿命，而随着结构设计和施工方法的不断创新，盾构隧道接缝的防水性能研究和优化也至关重要。本研究首先从弹性密封垫的防水原理出发，深入分析影响接缝渗漏水的原因；然后在此基础上提出针对管片接缝防水性能的具体优化措施；最后为验证优化措施的实际效果，以南京江心洲某新型管片盾构隧道工程为背景，进行实证研究。主要结论研究如下：EPDM密封垫的物理性能以及耐久性均需严格遵循规范要求；现场密封垫的粘贴工作和现场管片拼装对密封垫的拉伸变形是影响接缝渗漏水的重要因素；大直径高水压盾构隧道的角部实心段构造需进行优化，才不会因密封垫的断面尺寸导致角部堆积和应力集中。隧道贯通后的监测结果表明：优化后的盾构隧道不仅成型质量良好，而且防水效果远超传统盾构隧道。本研究不仅为盾构隧道管片接缝防水设计提供理论依据和实践指导，也为类似工程提供有益的参考和借鉴。

关键词：城市轨道交通盾构隧道管片接缝渗漏防水优化成型质量

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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

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市域线大直径隧道预制中隔墙拼装姿态分析

都市快轨交通 2024年第4期37卷 96-101页

作者：吴玉凯唐泽人葛照国朱元昌曲春雨柳献中铁十四局集团大盾构工程有限公司南京211800 同济大学土木工程学院上海200092

为控制大直径隧道预制中隔墙拼装质量,基于上海市机场联络线,对其内部预制中隔墙的拼装姿态进行研究和分析。在规定中隔墙坐标系后,分别对中隔墙在有、无初始拼装误差下的拼装姿态进行研究,得到中隔墙在上述工况下的姿态信息及其底面平... 详细信息

为控制大直径隧道预制中隔墙拼装质量,基于上海市机场联络线,对其内部预制中隔墙的拼装姿态进行研究和分析。在规定中隔墙坐标系后,分别对中隔墙在有、无初始拼装误差下的拼装姿态进行研究,得到中隔墙在上述工况下的姿态信息及其底面平面方程解析表达。分析结果表明:1)当中隔墙无初始拼装误差或其仅有平动或转动初始拼装误差时,不同控制点位的选取和调节系统千斤顶的顶进顺序不会对中隔墙的拼装控制产生影响,可根据所得中隔墙姿态表达式对其拼装姿态进行控制;2)当中隔墙仅存在平动或转动外的初始拼装误差时,应依据调节系统不同顶进顺序对中隔墙姿态进行单独计算,再依据所得表达式对中隔墙拼装进行控制,提高中隔墙拼装精度。将解析公式应用于中隔墙施工,取得了良好的工程应用效果。

关键词：城市轨道交通大直径盾构隧道预制中隔墙三维姿态分析拼装控制