为解决当前手段不能实现管环端面平整偏差自动测量的问题,及时为人工补偿平整偏差提供数据依据,基于所建立的模型设计自动测量方案并对测试应用结果进行分析总结。通过分析盾构施工特点,确定可在盾构坐标系内表征测量点坐标,在此基础上推导基于推进油缸行程的管环平整偏差数学模型,证明基点与测量点间距与安装角度关系可由三角函数描述,且可在平面直角坐标系内计算平整偏差。设计基于油缸行程传感器的评估算法、测量方案,实际测试的数据表明,和人工测量结果相比,该系统能以较高精度自动监测管环平整偏差,有效降低测量人员的劳动强度。

为探究高水压盾构隧道管片密封垫装配力与防水性能,依托上元门越江隧道工程,通过装配力试验、耐水压试验和数值模拟手段,分析了7种不同截面形式的密封垫在不同压缩阶段内密封垫变形特征、装配力增长规律以及耐水压力的主要影响因素。研究结果表明,密封垫的压缩过程可分为三个阶段:阶段Ⅰ密封垫装配力近似线性增长,阶段Ⅱ装配力增加缓慢,阶段Ⅲ装配力随压缩量增大快速增加至最大值。密封垫最大装配力和最大压缩量越大,其耐水压力越高,并且其装配力随压缩量增加而增长得越平稳,越有利于密封垫防水。对于不同的截面形式,在同一管片沟槽形式下,密封垫高度越高,其最大压缩量一般越大,盾构隧道管片接缝完全闭合时的装配力越大,且三角形封闭孔型优于其他孔型,底面为整片橡胶连接的密封垫优于底面为梳齿结构的密封垫。

针对底部平型和梳型橡胶密封垫结构,采用有限元软件建立三维计算模型,开展密封垫沟槽、粘贴质量对密封垫防水性能影响研究,探究密封垫防水薄弱点,并开展模型试验进行验证。研究表明:(1)橡胶密封垫压缩过程中易向两侧管片间隙中变形,使沟槽内实际面积减小,降低密封垫防水能力。(2)底部梳型密封垫粘贴固定时,密封垫间接触面是接头防水薄弱点;当未粘贴时密封垫间接触应力与粘贴固定时相比降低了25.8%,防水薄弱环节为密封垫底部与沟槽接触面。(3)平型密封垫在未粘贴的情况下,压缩过程结构也较为稳定,粘贴质量对密封垫防水性能影响较小。

现有盾构隧道接缝渗漏水研究难以对接缝密封垫接触面在水压作用下的物理渗流特性进行准确合理的模拟。针对该现状,借鉴水力压裂的概念,将密封垫接触面的渗流问题归纳为弹性不透水介质接触面渗流问题,并且给出相应的解析解,进而提出一种基于零厚度内聚力单元的盾构隧道接缝密封垫渗流特性数值模拟新方法,对接缝密封垫接触面发生渗流时的接触面张开量和液体压力分布进行分析。研究结果表明:该方法弥补了基于接触应力理念的隧道接缝防水性能模拟方法无法有效再现水压下接触面“液体渗透—液体滞后—液体消失”三分布区域的不足;提出的综合考虑密封垫硬度、渗流时间和渗流长度的接触面静水压力计算公式合理准确。

针对高水压作用下盾构隧道防水问题,提出一种螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫的新型防水体系,并依托江阴靖江长江隧道工程,利用有限元软件ABAQUS建立完整接缝防水体系模型进行模拟,对外道密封垫的背水面施加逐级水压,用以模拟外水压力击穿外道密封垫后,在双道密封垫之间的空腔后形成水压的过程中外道密封垫的受力状态,揭示管片接缝密封垫的变形与接触应力分布特性。并开展相关试验验证仿真结果,对外道密封垫在最不利工况下的防水性能进行综合评价。研究表明:仿真计算与防水试验结果一致,在外道密封垫发生渗漏水后,新型双道密封垫空腔中所形成的水压能够在一定程度上改善外道密封垫受力变形状态,提升外道密封垫的防水能力,较单道外道密封垫防水性能更优。

富含生物成因气体地层盾构隧道施工风险高,气体极易通过开挖舱、泥浆管、盾尾间隙和管片节间渗入盾构和隧道内部,引发燃爆事故威胁施工安全。为了密封阻隔生物成因气体的泄漏通道,克泥效被用于填充中盾和洞壁之间的开挖间隙。本研究针对盾构掘进过程中生物成因气体的密封阻隔问题,提出了一种克泥效密封阻隔生物成因气体试验装置与方法,研究了克泥效注入厚度与气体击穿时间的相关关系,揭示了生物成因气体在克泥效中的渗透扩散机制,并依托苏通GIL综合管廊工程验证了克泥效密封阻隔生物成因气体的作用效果。研究结果表明:气体击穿时间随克泥效注入厚度的增加近似线性增长;当克泥效注入厚度为30 mm时,平均击穿时间为51.5 min,超过单环管片拼装所需最长时间50 min,满足苏通GIL综合管廊工程施工需求。现场气体监测结果表明,相较于注入克泥...

目前普遍使用的单道三元乙丙橡胶密封垫防水型式无法满足水下盾构隧道管片接缝防水新要求,而既有的双道密封垫防水体系受螺栓孔防水性能的限制无法充分发挥其应有的防水性能。依托江阴靖江长江隧道,提出将双道密封垫均放置于螺栓孔外侧的新型防水体系,并结合设计对比分析双层密封垫连续布置和间隔布置2种型式的防水性能。基于不同的沟槽布置形式,设计可更换内胆的T字缝耐水压测试设备,并开展室内物理模型试验,研究结果表明:1)螺栓孔外侧连续布置的双道密封垫的防水性能表现不佳;2)在讨论连续布置双道密封垫的匹配策略时,发现“外主内辅”对整体防水性能有2.02%的提升,“外辅内主”则导致整体防水性能下降4.71%;3)较单道密封垫,螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水体系的整体防水性能可提升9.68%~16.13%。

为研究盾构隧道双道密封垫在防水性能提升上的效果,首先定性分析双道密封垫的防水机制,给出击穿水压概念以及基于弹性力学的密封垫击穿水压数值估算公式;然后开展双道密封垫试验,对击穿水压数值进行验证,得出影响双道密封垫防水性能的一些因素。研究结果表明:1)当外界水压大于外道密封垫初始防水能力的1.36倍时,密封垫被完全击穿,丧失残余防水能力;2)不同的密封垫布置方式会影响双道密封垫的防水能力,在双道密封垫的实际应用中,需要将防水能力更强的密封垫布置在外侧,且双道密封垫的防水能力差距不宜过大;3)沟槽的结构和尺寸会影响密封垫的防水能力;4)无论是单道密封垫,还是双道密封垫,无错位量密封垫的防水压力远大于有错位量密封垫的防水压力,因此施工中应采取措施尽量减少错位量。

针对盾构隧道管片接缝处易出现渗漏的问题,以某工程依托,设计并制作出了弹性复合橡胶密封胶垫对盾构结构接缝处进行防水处理,并对弹性密封胶垫防水效果进行研究。结果表明:试验设计的2种断面形式密封胶垫均表现出良好的压缩密封效果,且渗漏水压造成的密封胶垫压缩量曲线与断面形式无关,能够满足工程盾构隧道管片接缝处防水设计相关闭合压限制。