盾构隧道衬砌接头的构造与耐久性的研究
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摘要
随着隧道主体结构的设计使用年限增加到100年,盾构隧道耐久性能要求更高了。同时已建的盾构隧道在使用过程中出现了渗漏,钢筋锈蚀,混凝土管片破损等许多问题,造成大量人力物力的损失。众所周知,在盾构隧道衬砌结构中管片环向接头和管片纵向环间接头的构造及其耐久性对衬砌整体结构的受力变形和耐久性起着极其重要的影响作用。故有必要通过试验及理论分析对盾构隧道的衬砌接头的构造及其耐久性等问题进行专门研究。
本项研究结合国家自然科学基金项目《地下混凝土衬砌结构的耐久性与使用寿命》,以上海长江隧道工程为背景,针对影响接头耐久性的主要因素开展研究。一方面为当今我国盾构隧道中的防水材料提出新的预测其使用寿命的模型,简化寿命预测方法,进行试验研究;并通过对盾构隧道衬砌接头结构和耐久性的研究结合防水措施提出优化建议;另一方面为研究大型越江隧道的受力状态和破坏机理及评价衬砌接头的安全性进行纵向受力分析。
本文主要研究内容和成果包括:
1.分析了盾构隧道接头的构造及影响其耐久性的常见因素。通过研究盾构隧道接头的构造和对国内外常用的多种接头形式的比较,提出了接头防水材料的耐久性,衬砌接头的受力特性,等等也是盾构隧道整体耐久性的重要影响因素。
2.实验研究了盾构隧道中常用的防水橡胶材料。根据对盾构隧道的两种常用的橡胶——三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶材料的室内快速老化试验的结果,得出两种橡胶的热氧老化规律。其中遇水膨胀橡胶老化后的拉伸性能和膨胀性能的试验结果,弥补了遇水膨胀橡胶在基础研究方面的空白。
3.提出了橡胶寿命的预测模型。通过对橡胶试验结果的分析,提出新的橡胶寿命的预测模型;运用数据分析统计软件,简化数据处理的程序;对盾构隧道常用橡胶的使用寿命进行预测。得到在热氧老化环境中三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶的使用寿命能达到100年的结论。
4.评估了防水材料的耐久性;并提出提高其耐久性的优化方案。根据橡胶材料使用年限的预测结果,结合对盾构隧道接头形式及防水措施的研究,对提高防水质量和接头刚度从管片拼装形式,衬砌接头形式,衬砌接头构件参数到防水方案,渗漏水治理等方面提出相关优化建议。
5.进行了盾构隧道纵向受力分析并对其进行了安全性评价。结合上海长江隧道的设计参数,运用等效轴向刚度模型的理论,分析盾构隧道的纵向受力状态和破坏机理,结合计算结果分析了管片接头的受力状态并对其进行安全性评价。
With the design service life of the major structure of tunnel added to 100 years, the requirement of shield tunnel has been higher than before. Meanwhile in the service process the tunnels which have been build have appear many problem, such as leakage, steel-bar corrosion, concrete segment disrepair,etc, which has caused large expense of manpower and material resources. While, it is come to light that the structure of durability of ring joint and segment joint within the structure of shield tunnel lining play a very important roal to the constrained and durability of the whole structure shield tunnel. So it is necessary to study the issue of the structure and durability of lining joint of shield tunnel specialiy through experiments and theoretical analysis.
This paper is involved with the scientific project of Shanghai Construction Technology Expansion Funds, the durability and service life of underground concrete lining structure, at the background of the tunnel of Shanghai Changjiang River, the study aim at the main infection factors of lining joint. On one hand, through experimental investigatin give new forcast model and simplifmg forcast method for the waterproof material which is often used in shield tunnel, and give optimizing advices through study the structure and durability of lining joint of shield tunnel combine with methods of waterproof. On the other hand, through analyzing shield tunnel longitudinal stress study the longitudinal stress condition of huge crossing-river tunnel and its spoil mechanism and evaluat lining joint security. The work and fruits of this paper are the followings:
1. Analyzing the structure of the lining joint of the shield tunnel and influencing factor of its durability. Through study the structure of the lining joint of the shield tunnel and comparing some kinds of joint used in outland and inland, get the conclusion of that many factors, such as the service life of waterproof material of joint, the stress speciality of lining joint, play a very impotant role in the durability of the whole structure shield tunnel.
2. Experimental investigating two kind of waterproof material which is often used in shield tunnel. According to the experiments result of two kind of waterproof material ,the indoor celerity experiments result of ethylene-propylene-diene rubber and water-swell rubber, get the aging regular of these two kinds of rubber. The experiments result of tension capability and swell capability of water-swell rubber, make up the blankness of base study of water-swell-rubber.
3. Giving new forcast model of service life of the waterproof material. Through analyzing experiments result of two kind of waterproof materials give new forcast model of service life of the waterproof material. Use data analysis statistics software to predigest the method of data disposal, and forcast the service life of the waterproof material. Give the conclusion of that the ethylene-propylene-diene rubber and water-swell rubber can meet the request of the 100 years' service life in the hot and oxygen circumstance.
4. Evaluate the durability of waterproof material, and give optimizing advices which could improving the durability. According to the result of forcast the service life of the waterproof material combine with study of the structure of lining joint of shield tunnel and methods of waterproof give some experimental investigatin on the form of lining tinertoy, and form of lining joint, and parameter of lining joint member, and methods of waterproof and father of leaking water, etc, to improve quanlity of waterproof and joint stiffness.
5. Analyzing shield tunnel longitudinal stress and evaluating lining joint security. Combine with the design paramenter of the tunnel of Shanghai Changjiang River and use the theory of equivalently-longitudinally stiffness model analysis the longitudinally stress and spoil mechanism of shield tunnel. Analyzing the stress condition of lining joint and evaluating its security combine with the calculate results.
本项研究结合国家自然科学基金项目《地下混凝土衬砌结构的耐久性与使用寿命》,以上海长江隧道工程为背景,针对影响接头耐久性的主要因素开展研究。一方面为当今我国盾构隧道中的防水材料提出新的预测其使用寿命的模型,简化寿命预测方法,进行试验研究;并通过对盾构隧道衬砌接头结构和耐久性的研究结合防水措施提出优化建议;另一方面为研究大型越江隧道的受力状态和破坏机理及评价衬砌接头的安全性进行纵向受力分析。
本文主要研究内容和成果包括:
1.分析了盾构隧道接头的构造及影响其耐久性的常见因素。通过研究盾构隧道接头的构造和对国内外常用的多种接头形式的比较,提出了接头防水材料的耐久性,衬砌接头的受力特性,等等也是盾构隧道整体耐久性的重要影响因素。
2.实验研究了盾构隧道中常用的防水橡胶材料。根据对盾构隧道的两种常用的橡胶——三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶材料的室内快速老化试验的结果,得出两种橡胶的热氧老化规律。其中遇水膨胀橡胶老化后的拉伸性能和膨胀性能的试验结果,弥补了遇水膨胀橡胶在基础研究方面的空白。
3.提出了橡胶寿命的预测模型。通过对橡胶试验结果的分析,提出新的橡胶寿命的预测模型;运用数据分析统计软件,简化数据处理的程序;对盾构隧道常用橡胶的使用寿命进行预测。得到在热氧老化环境中三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶的使用寿命能达到100年的结论。
4.评估了防水材料的耐久性;并提出提高其耐久性的优化方案。根据橡胶材料使用年限的预测结果,结合对盾构隧道接头形式及防水措施的研究,对提高防水质量和接头刚度从管片拼装形式,衬砌接头形式,衬砌接头构件参数到防水方案,渗漏水治理等方面提出相关优化建议。
5.进行了盾构隧道纵向受力分析并对其进行了安全性评价。结合上海长江隧道的设计参数,运用等效轴向刚度模型的理论,分析盾构隧道的纵向受力状态和破坏机理,结合计算结果分析了管片接头的受力状态并对其进行安全性评价。
With the design service life of the major structure of tunnel added to 100 years, the requirement of shield tunnel has been higher than before. Meanwhile in the service process the tunnels which have been build have appear many problem, such as leakage, steel-bar corrosion, concrete segment disrepair,etc, which has caused large expense of manpower and material resources. While, it is come to light that the structure of durability of ring joint and segment joint within the structure of shield tunnel lining play a very important roal to the constrained and durability of the whole structure shield tunnel. So it is necessary to study the issue of the structure and durability of lining joint of shield tunnel specialiy through experiments and theoretical analysis.
This paper is involved with the scientific project of Shanghai Construction Technology Expansion Funds, the durability and service life of underground concrete lining structure, at the background of the tunnel of Shanghai Changjiang River, the study aim at the main infection factors of lining joint. On one hand, through experimental investigatin give new forcast model and simplifmg forcast method for the waterproof material which is often used in shield tunnel, and give optimizing advices through study the structure and durability of lining joint of shield tunnel combine with methods of waterproof. On the other hand, through analyzing shield tunnel longitudinal stress study the longitudinal stress condition of huge crossing-river tunnel and its spoil mechanism and evaluat lining joint security. The work and fruits of this paper are the followings:
1. Analyzing the structure of the lining joint of the shield tunnel and influencing factor of its durability. Through study the structure of the lining joint of the shield tunnel and comparing some kinds of joint used in outland and inland, get the conclusion of that many factors, such as the service life of waterproof material of joint, the stress speciality of lining joint, play a very impotant role in the durability of the whole structure shield tunnel.
2. Experimental investigating two kind of waterproof material which is often used in shield tunnel. According to the experiments result of two kind of waterproof material ,the indoor celerity experiments result of ethylene-propylene-diene rubber and water-swell rubber, get the aging regular of these two kinds of rubber. The experiments result of tension capability and swell capability of water-swell rubber, make up the blankness of base study of water-swell-rubber.
3. Giving new forcast model of service life of the waterproof material. Through analyzing experiments result of two kind of waterproof materials give new forcast model of service life of the waterproof material. Use data analysis statistics software to predigest the method of data disposal, and forcast the service life of the waterproof material. Give the conclusion of that the ethylene-propylene-diene rubber and water-swell rubber can meet the request of the 100 years' service life in the hot and oxygen circumstance.
4. Evaluate the durability of waterproof material, and give optimizing advices which could improving the durability. According to the result of forcast the service life of the waterproof material combine with study of the structure of lining joint of shield tunnel and methods of waterproof give some experimental investigatin on the form of lining tinertoy, and form of lining joint, and parameter of lining joint member, and methods of waterproof and father of leaking water, etc, to improve quanlity of waterproof and joint stiffness.
5. Analyzing shield tunnel longitudinal stress and evaluating lining joint security. Combine with the design paramenter of the tunnel of Shanghai Changjiang River and use the theory of equivalently-longitudinally stiffness model analysis the longitudinally stress and spoil mechanism of shield tunnel. Analyzing the stress condition of lining joint and evaluating its security combine with the calculate results.
引文
[1]秦晶、侯建国、刘晓春,软土盾构法隧道设计的新进展,中国电机工程学会电力土建专业委员会,2005年“以电力土建科技创新推进可持续发展”学术交流会《技术创新论文集》,85
[2]黄宏伟、严佳梁、徐凌,软土盾构隧道管片环接头的形式及其设计建议,地质与勘查,第39卷增刊2003,8月
[3]王慎堂,隧道管片通缝拼装与错缝拼装的比较,硕士学位论文(D),同济大学,2002
[4]M.Katou,T.Kawamoto,A.Minezaki,A.Imoto.Development of a segement with steel-pipe-inserted joint.Modern Tunnelling Science and Technology,Adachi etal(eds),2001
[5]Takashi Aihara.Osaka Gas builds 13-mi,30-in.pipeline 131 ft unde seaded.International Construction Report,Nov-Dec 2001 Vol.84 No.11,Feature Article
[6]Shigeru Araki.首都圈外郭放水路でて採用してぃゐ技衍,土木技术,2004,3
[7]Terry Winteron,Lining trends in the UK,Tunnels & Tunnelling International,January 1999
[8]Watanabe Takashi,Tanaka Toshiharu,Abe Tsuyoshi,Mukuno Katsuhiko,Development of a new composite structure segment for large diameter shiel tunnel,Tunneling and Underground Technology.2004,19
[9]Working Group No.2,IT A,Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining,2000,Vol.15(3):303-331
[10]王如路,周贤浩,等.近年来上海地铁监护发现的问题及对策[A].中国土木工程学会隧道及地下工程学会地下铁道专业委员会第十四届学术交流会论文集[C].2001:239-242
[11]胡如军,朱伟,谈小龙.盾构隧道管片的设计计算方法,河海大学学报,2001年12月
[12]朱合华,陶履彬,盾构隧道衬砌结构受力分析的梁一弹簧系统模型,岩土力学,1998年6月
[13]朱合华,崔茂玉,杨金松.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究,岩土工程学报,2000年3月
[14]朱合华、杨林德、陈清军、桥本正,盾构隧道管片接头村砌系统的两种受力设计模型,工程力学增刊1996年,
[15]#12
[16]#12
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[19]黄钟晖,廖少明,刘国彬,候学渊.软土盾构法隧道管片接头位置的优化研究.地下空间.2000年12月
[20]蒋洪胜,侯学渊,刘建航.盾构法隧道管片接头受力模式识别系统的研究,山东大学学报,2002年8月
[21]苏许斌,盾构法隧道装配式衬砌接头模型研究,硕士学位论文(D),上海:同济人学.2002
[22]黄宏伟、臧小龙,盾构隧道纵向变形性态研究分析,地下空间,2002,第22卷第3期,244-251
[23]赵欣,盾构衬砌管片设计优化及其接头参数的确定,硕士学位论文(D),上海:同济人学.2003
[24]郑永来、韩文星等,软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究,岩石力学与工程学报,2005,Vol.24,No.24:4552-458
[25]何川、曾东洋、唐志诚、吴兰婷,大断面越江盾构隧道管片接头选型研究,现代隧道技术,2005,Vol.42,No.6:14-19
[26]李咏今,利用时间外延法预测硫化胶常温老化应力松弛和永久变形性能的研究,橡胶工业,2002,第10期,第49卷,615-622
[27]李咏今,氯丁橡胶硫化胶老化性能变化与老化温度和时间之间关系的研究,橡胶工业,1993,第2期,第40卷,103-106
[28]李咏今,动力学曲线拟合的经验公式及其参数估计的计算机方法,橡胶工业,1991,第11期,第38卷,680-685
[29]李咏今,关于硫化橡胶化学应力松弛动力学表达式的讨论,橡胶工业,1990,第3期,第37卷,174-179
[30]李咏今,硫化胶老化性能变化的数学模型,合成橡胶工业,1984,第1期,第8卷,38-40
[31]李咏今,硫化橡胶热氧老化时物理机械性能变质规律的研究,特种橡胶制品,1997,第8卷,第1期,42-50
[32]李咏今等,硫化胶在应力状态下老化——化学松弛曲线的一种表示方法.特种橡胶制品,1980,1(4):45
[33]李咏今,丁腈硫化胶烘箱加速老化与室内自然老化相关性的研究[J],特种橡胶制 品,2001,22(4):46
[34]李咏今,橡胶老化文献数据的再处理,橡胶工业,1996,43(9):515-516
[35]李咏今,关于硫化橡胶化学应力松弛动力学表达式的再讨论,橡胶工业,1994,第6期,第41卷,372-376
[36]张法源,16种实用配方硫化胶长期室内自然老化压缩永久变形变化及预测,特种橡胶制品,2002(5),Vol.23 NO.3:46-50
[37]张法源,16种实用配方硫化胶长期室内自然老化压缩永久变形变化及预测,特种橡胶制品,2002,Vol.23 NO.4:56-60
[38]潘洪科、杨林德潘洪科,杨林德,汤永净.地下结构耐久性研究现状及发展方向综述.地下空间与工程学报,2005年第三期
[39]潘洪科,结合上海地铁谈地下工程结构物耐久性的研究.城市轨道交通研究.2004.12.
[40]杨军、王进,氯丁橡胶热氧老化的时温依赖性——时温转移叠加原理和寿命预测,橡胶参考资料,2005,第35卷第6期:31-33
[41]朱祖熹、陆明,遇水膨胀类止水材料的性能及其应用技术,中国防水论坛,2006,8
[42]刘建航、侯学渊,盾构法隧道,中国铁道出版社,1991年11
[43]严佳梁,盾构隧道管片接头性态研究,同济大学硕士论文(D),2006,2月
[44]黄宏伟、严佳梁、徐凌,软土盾构隧道管片环接头的形式及其设计建议,地质与勘探,第39卷增刊2003年8月
[45]Cloutier J.R.,Rubber Age,1964,95(2),245
[46]硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定,GB/T 528-1998
[47]高分子防水材料,第3部分遇水膨胀橡胶,GB/T 18173.3-2002
[48]橡胶试样环境调节和试验的标准温度、湿度及时间,GB/T 2941
[49]硫化橡胶物理试验方法的一般要求,GB 5723
[50]硫化橡胶样品和试样的制备,GB 9865
[51]橡胶获得高于或低于常温试验温度通则,GB 9868
[52]橡胶塑料拉力试验机技术条件,HG 2369
[53]宋名实等,橡胶工业,1989,36(1),37
[54]舒静如,橡胶老化技术报告会资料,化工部橡胶司,1983
[55]胡雯、谈永奎、周岳林,大断面圆形隧道防水防渗的探索,建筑施工,2004,第26卷,第3期,246-247
[56]朱祖熹,当今国内外盾构隧道防水技术比较谈,地下工程与隧道,2002,第1期,14-20
[57]祝和权,李海燕,铁路隧道防水技术的现状及趋势,铁道建筑,2003年第10期,36-38
[58]曾东洋,何川,地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究,铁道学报,2005年8月,第27卷,第4期,90-95
[59]何英杰,袁江,影响盾构隧道衬砌接头刚度的因素2001年2月,第18卷第1期,长江科学院院报,20-26
[60]朱祖熹,上海地铁一号线工程防水得失谈,中国建筑防水,1996(6),1-5
[61]沈秀芳、任春,上海延安东路越江隧道防水施工总结,1992(1),26-27
[62]余占奎、黄宏伟、徐凌、李文婷,软土盾构隧道纵向设计综述,地下空间与工程学 报,2005年4月,第1卷第2期,315-318
[63]林永国、廖少明、刘国彬,地铁隧道纵向变形影响因素的探讨,地下空间,2002,第20卷,第4期,264-267
[64]上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海长江隧道工程岩土工程补充详勘报告,2005,10月
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[66]卢纹岱,SPSS for Windows统计分析(第2版),电子工业出版社,2002
[67]徐凌,软土盾构隧道纵向沉降研究,同济大学博士论文(D),2005
[68]王民,隧道盾构施工管片橡胶密封垫的材料和结构及产品性能特性,特种橡胶制品,2005,第26卷,第1期,43-46.
[69]上海市隧道工程轨道交通设计研究院,十号线江湾体育中心站勘查报告
[70]朱祖熹,城市隧道防水技术的现状与前景[J],中国建筑防水,1998,(1),10-13
[71]张萍,朱祖熹,浅论黄浦江观光隧道衬砌防水技术的先进性[J],中国建筑防水,2002,1,24-28
[2]黄宏伟、严佳梁、徐凌,软土盾构隧道管片环接头的形式及其设计建议,地质与勘查,第39卷增刊2003,8月
[3]王慎堂,隧道管片通缝拼装与错缝拼装的比较,硕士学位论文(D),同济大学,2002
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[5]Takashi Aihara.Osaka Gas builds 13-mi,30-in.pipeline 131 ft unde seaded.International Construction Report,Nov-Dec 2001 Vol.84 No.11,Feature Article
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[8]Watanabe Takashi,Tanaka Toshiharu,Abe Tsuyoshi,Mukuno Katsuhiko,Development of a new composite structure segment for large diameter shiel tunnel,Tunneling and Underground Technology.2004,19
[9]Working Group No.2,IT A,Guidelines for the Design of Shield Tunnel Lining,2000,Vol.15(3):303-331
[10]王如路,周贤浩,等.近年来上海地铁监护发现的问题及对策[A].中国土木工程学会隧道及地下工程学会地下铁道专业委员会第十四届学术交流会论文集[C].2001:239-242
[11]胡如军,朱伟,谈小龙.盾构隧道管片的设计计算方法,河海大学学报,2001年12月
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[19]黄钟晖,廖少明,刘国彬,候学渊.软土盾构法隧道管片接头位置的优化研究.地下空间.2000年12月
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[48]橡胶试样环境调节和试验的标准温度、湿度及时间,GB/T 2941
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