盾构隧道施工引起的工后地面沉降研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方土体超孔隙水压力和工后地面沉降进行研究,提出盾构隧道施工引起的土体应力释放率计算方法。基于Henkel 超孔隙水压力理论,推导与隧道衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力值。假定与衬砌相邻的各点具有相同的应力释放率,得到隧道拱顶处土体的超孔隙水压力计算方法。运用应力传递理论,提出隧道轴线上方土体的超孔隙水压力分布模式。假定压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到隧道轴线上方地面工后固结沉降理论计算公式。算例分析结果表明,该方法的预测值与实测值非常吻合。     

不同施工工况下双圆盾构引起的土体沉降研究

采用随机介质理论,推导出双圆盾构隧道施工时正常工况和旋转工况下由于土体损失引起的土体沉降计算公式。算例分析表明：本文方法地面沉降预测结果与实测值比较吻合;旋转工况下双圆盾构隧道施工引起的土体沉降曲线呈不对称,最大沉降值出现在向下旋转一侧,能较好的解释实测地面沉降曲线不对称的原因。在相同土体损失率时,与正常工况相比,旋转工况产生的最大沉降量变小,但沉降槽宽度变大。两者引起的土体沉降沿深度变化规律也有区别。     

软土地区盾构施工引起的土体固结沉降数值分析

利用二维有限元软件,结合盾构隧道开挖后的土体初始超孔隙水压力理论计算方法,模拟了软土地区盾构隧道施工引起的土体工后固结沉降。算例分析结果表明:该模型能够较好地模拟地面固结沉降曲线,与实测值较吻合;通过隧道中心水平线处的超孔隙水压力值,随着离隧道中心的距离增大而急剧减小,超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处;固结沉降速率随时间增长而逐渐减小;隧道中心线上方土体产生向靠近隧道侧水平移动,而中心线下方土体则相反。     

平行顶管施工引起的地面变形实测分析

对海相沉积的欠固结土中水平平行顶管施工引起的地面变形规律进行分析,提出地面横向和纵向扰动区范围及工后沉降的计算方法。研究结果表明,水平平行顶管施工时中间区域受到双重扰动,产生的地面沉降较大。由于先建顶管施工对周围土体产生的扰动会使后建顶管施工时产生的扰动加剧,在同样条件下,后建顶管引起的最大地面沉降值与沉降槽宽度都要大于先建顶管。平行顶管施工产生的地面沉降主要由土体损失、受扰动土体再固结和次固结引起,土体受扰动后产生的超孔隙水压力是导致工后沉降的原因,在欠固结土中工后沉降与时间基本成对数关系。     

泥炭质土层盾构施工扰动引起隧道长期沉降的研究

为了研究泥炭质土层盾构施工扰动引起隧道的长期沉降问题,将隧道周围土体视为连续、均质、各向同性的饱和黏弹性介质,采用五元件模型描述泥炭质土的流变特性,耦合Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立了隧道衬砌在完全不透水的情况下,盾构施工扰动引起周围土体超孔隙水压力消散的控制方程。采用分离变量法、保角映射、Laplace变换及逆变换等数学方法对该控制方程进行求解,得到了隧道周围土体超孔隙水压力消散的解析解,最后对土体的竖向应变进行积分获得了隧道长期沉降的计算公式。结合一工程算例分析了昆明泥炭质土层超孔隙水压力消散及隧道长期沉降的变化规律,研究结果表明:与上海软黏土相比,在初始阶段泥炭质土层中超孔隙水压力的消散速度较快,然后迅速变缓并趋于稳定。泥炭质土层中隧道的长期沉降持续时间更长且沉降量更大,在900 d的时间内隧道沉降趋于稳定,其累积沉降量约高达150 mm。此外,昆明泥炭质土的流变特性显著,如将土体中超孔隙水压力消散90%作为主固结沉降的完成时刻,则土体次固结沉降约占隧道总沉降量的36%,是隧道长期沉降中不可忽视的一个重要组成部分。     

盾构法隧道施工引起的土体变形预测

 理论分析表明,不同土质条件下盾构法隧道施工引起的土体移动模型有区别。基于盾构法隧道统一土体移动模型,假定土体不排水,采用N. Loganathan等提出的研究方法,通过对Verriujt计算公式进行修正,推导得到盾构施工过程中由于土体损失引起的土体变形二维解,该方法适用于施工阶段。算例分析表明：所给出方法的计算结果与实测值较吻合,适用于从流塑～坚硬状态的所有黏性土。Loganathan公式只适用于流塑状态的黏性土,当土质较硬时,计算所得到的土体沉降要比实测值小;盾构施工引起的隧道上方土体沉降从地面向下呈非线性增大,在隧道顶部达到最大,离隧道越近,增长越快;隧道周围土体产生向隧道侧的水平位移,从地面向下逐渐增大,在略高于隧道轴线附近达到最大值,再逐渐减小直到0。离隧道越近,土体水平位移越大。     

盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究

假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解,推导正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式;提出土体损失引起的三维地面变形计算公式。将正面附加推力、摩擦力和土体损失引起的地面变形计算公式叠加,得到盾构施工引起的地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,该方法的计算结果与实测值相当吻合。盾构施工引起的纵向地面变形曲线呈“S”形;隧道开挖面上方处轴线两侧的地面产生隆起现象;在正常施工时,盾壳与土体之间的摩擦力对地面变形的影响远大于正面附加推力。     

泥水盾构隧道施工引起的地面沉降分析及预测

通过对杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工地面沉降监测数据的分析,总结了地面沉降的特点及影响因素,并结合实测数据给出了地面沉降的修正双曲线预测公式.分析表明:Peck公式适用于杭州软土地层中泥水盾构施工引起的地面沉降预测,其中地面沉降槽宽度参数K取值0.25～0.32,地层损失率V1取值0.04％～0.33％.地面沉降主要为盾构脱离0～5 d或6d内的盾尾沉降以及扰动土体长期固结沉降,分别约占总沉降量的57.27％和41.08％.适当提高切口泥水及同步注浆压力使地面微隆,可以抵消部分地层损失,减少地面沉降.由地层损失引起的横断面地面沉降曲线较规则,基本呈现高斯曲线分布;而地面隆起变形较无规则,会使沉降曲线偏离高斯曲线分布.引入新参数C后的修正双曲线模型可用于泥水盾构软土地层中施工引起的地面沉降的预测.     

基于分数阶本构模型的隧道工后固结沉降

基于分数阶三元件模型,假定盾构隧道施工引起的隧道轴线上方初始超孔隙水压力为三角形分布,隧道衬砌为半透水边界,通过太沙基一维固结理论和拉普拉斯变换推导了盾构隧道施工引起的轴线上方土体长期沉降公式。然后运用此公式预测了上海地铁1号线的工后沉降,并分析了隧道衬砌的渗透系数对长期沉降的影响。结果表明:分数阶三元件模型比普通的三元件模型在模拟隧道工后沉降时精度更高;隧道衬砌的渗透性对长期沉降的影响不可忽视,隧道衬砌的渗透系数越大,初期沉降速率越大,沉降值越大;当隧道衬砌与土体渗透系数之比小于0.001时可视为完全不透水边界,大于0.001时可视为半透水边界,对于上海地铁1号线,应将隧道衬砌视为半透水边界。     

隧道盾构法施工地面沉降影响因素分析

利用三维非线性有限元方法模拟土压平衡式盾构推进过程中引起的地面沉降，研究了盾构覆土厚度、盾构外径、土压仓压力、盾尾空隙等因素变化对地面沉降的影响，并在此基础上提出了能够综合反映上述因素影响的盾构隧道地面沉降计算公式。通过与上海地铁4号线浦东南路站一南浦大桥站区间隧道盾构开挖的实测地面沉降数据的比较，验证了计算公式的合理性。     

列车振动荷载作用下隧道周边软黏土长期沉降分析

 以上海地铁9号线三期工程为背景,对隧道周边1.5倍隧道外径范围内土体长期沉降进行现场监测。为分析上海软黏土在列车长期循环动荷载下的变形特征,通过引进考虑长期循环荷载作用效应的控制参数对现有动力循环加载弹塑性本构模型进行改进;采用改进的本构模型分析列车振动、工后固结2种工况下软黏土沉降发展规律。结果表明：通车850 d后,隧道拱底相对于地面的沉降实测值为4.7 mm,计算值为4.6 mm,其中由列车振动引起的沉降为3.1 mm,误差为2.0%,表明改进后的本构模型能够较好地模拟软黏土在列车振动荷载下的累积变形特征;振动荷载下隧道长期沉降符合指数型增长规律;在隧道埋深13.2 m情况下,列车振动引起的隧道拱底相对于地面的沉降经过约8 a趋于稳定,稳定后相对沉降量为4.2 mm。     

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据,结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息,分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明,土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布;土体损失率随着埋深或深径比的增大,呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势,且两者关系可近似采用幂函数拟合;当H大于20m或H/D大于3.25时,土体损失率基本稳定在0.75%附近,且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应,说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失;土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大,且趋于稳定,说明固结变形对名义土体损失率的影响较大,最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。     

基于改进BP网络的盾构隧道开挖地表沉降预测

盾构隧道施工中引起的地表沉降是衡量开挖方式是否合适的关键指标。文中在介绍BP神经网络及盾构施工引起变形情况的基础上,对基于BP神经网络的盾构隧道开挖引起的地表沉降预测进行了研究,考虑了训练样本中奇异数据的剔除,采用变步长的方法,并选取适当的动量项系数,综合考虑各种影响因素,建立了盾构隧道开挖引起的地表沉降预测的BP网络模型,并对广州地铁二号线进行了具体的预测分析。分析结果表明:理论计算结果与工程实际情况一致,误差小于5%,所建立的预测模型是令人满意的。     

考虑盾构隧道埋深影响和岩土特性影响的地表变形计算

盾构施工引起地层变形的众多计算方法中,随机介质理论法和Peck法是我国应用较为广泛的两种实用方法,但这两种方法的计算参数均不太容易确定。根据46例工程实测资料,绘制出地表最大沉降与隧道相对埋深的关系图。结果表明:当盾构隧道相对埋深小于5时,盾构施工引起的地表最大沉降值变化较大;当盾构隧道相对埋深大于5时,其对地表最大沉降的影响较小。对于大部分浅埋城市地铁隧道而言,应该考虑盾构隧道相对埋深对地层变形的影响。基于盾构施工引起地层移动不均匀模型的地表最大沉降计算式,依据随机介质理论法和Peck法,推导出考虑土质软硬、隧道半径和埋深影响的地层变形实用计算方法,并通过对5个工程实例的分析,验证此计算方法的合理性。     

矩形顶管施工引起的地面沉降变形研究

以南宁市轨道交通1号线南湖站Ⅰ号过街通道顶管工程为背景,分别考虑顶管机及后续管节对土体的作用力引起开挖面周围土体的施工时变形、土体损失引起地面永久沉降、注浆对土体损失补偿引起的地面抬升、地层中超孔隙水压力消散发生失水固结效应引起的工后沉降等因素,揭示了在注浆压力作用下矩形顶管隧道周围土体的变形模式,推导了由注浆填充引起的土体竖向变形计算方法,给出了扰动范围土体内超孔隙水消散引起的工后固结沉降的计算公式。运用Mindlin弹性理论解、随机介质理论、分层总和法分别对该工程由土体应力状态变化、地层损失、注浆填充和失水固结4个方面引起的地面变形进行计算,根据计算结果与实测数据的对比分析,对矩形顶管施工扰动引起的地表沉降变形特性进行系统研究,叠加后的计算结果与实测数据变化规律基本一致,且数值吻合较好。     

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。     

盾构法隧道统一土体移动模型的建立

首次提出土质软硬决定了盾构隧道周围土体的移动方向,移动焦点在隧道中心点与隧道底部位置之间变动。采用两圆相切的土体损失模型,通过引入移动焦点的坐标参数,建立了统一的土体移动模型,该模型能将Park模型与Loganathan模型包括在内。假定土体不排水,利用源汇法推导了由土体损失引起的盾构隧道轴线上方地面最大沉降量Smax的通用计算公式和上、下限解。理论分析表明:无论土质如何变化,土体损失引起的Smax值总在上、下限解范围内。理论解与27例工程实测值和Peck解进行了比较,结果表明:21例实测值在上、下限解范围内,6例实测值超出该范围,但与上、下限解非常接近,超出量小于10%;Peck公式计算得到的Smax值也都在上、下限解范围内,仅有1例略微偏大,从而验证了本文方法的正确性。本文方法也适用于顶管法施工。