盾构隧道施工预测与动态调控方法研究

隧道近距离穿越已有结构的风险不容忽略,而盾构隧道开挖引起的地层变形主要由地层损失引起,通过对施工过程的调整控制可影响开挖过程中的地层损失率。基于此,提出一种盾构隧道施工预测与动态调控的方法:基于地层损失理论建立地层损失率与地层变形的关系,同时基于经验公式对盾构施工过程进行动态调控,使盾构施工引起的变形满足控制要求。具体而言,通过试算确定满足变形要求的最大地层损失率,并进一步依据已盾构区段的施工情况,通过动态调控使风险区段地层损失率符合要求,从而满足安全施工的要求。相对其他方法,本方法易于操作、具有实用性,同时减少了人为因素,结果较准确。通过苏州轨道交通3号线下穿1号线重叠隧道的工程实例验证,具有可行性,针对该下穿区段,提出地层损失率应控制在0.76%以内,并为3号线下穿1号线给出安全施工建议。     

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。     

矿山与盾构隧道平行段施工相互影响机制

隧道开挖会对周围地层产生扰动,引起地表沉降、近接管线变形,而基于不同施工方法的两条平行隧道,其相互影响机制尚不明确,可能会对隧道的施工造成不利的影响。文中以长沙市轨道交通工程为依托,建立了复合地层中矿山隧道与盾构隧道开挖的数值模型,并针对3种不同典型工况进行模拟,分析后行隧道对先行隧道的影响机制。结果表明后行隧道的地层损失率越大,对先行隧道的变形和受力影响越大;矿山法隧道施工对周围地层的扰动较小,并且矿山隧道在二次衬砌完工后整体性强,刚度较大,在外部作业影响下不易发生变形,矿山隧道完工后再进行盾构隧道施工,可使隧道二次变形最小。研究为矿山隧道与盾构隧道平行段施工顺序设计提供了理论依据。     

富水地层盾构施工引起的沉降实测分析

盾构隧道开挖受地质影响较大,不同地区不同土层开挖会导致其盾构施工引起的地层损失率η和地表沉降槽宽度系数K也不同,导致其施工经验难以完全借鉴.文中以杭州地铁8号线一期SG8-2标中文桥区间风井-桥头堡站盾构区间为工程背景,对该地区的盾构施工引起的实测数据进行分析,得到该地区的地层损失率η和地表沉降槽宽度系数K;并对盾构施...     

城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究

随着中国城市建设的快速发展,城市地铁、市政道路隧道、各种市政地下隧道在城市中也得到了很大的发展.由于城市中建筑物和地下管线密布,隧道施工将不可避免的引起周边地层的移动和变形,并可能对已有建筑管线设施产生不利影响.在前人研究的基础上,从隧道施工引起的地层移动与变形的机制出发,以随机介质理论为基础,并结合土体固结压密理论以及Mindlin弹性理论等,考虑隧道开挖地层移动与变形的时间-空间发展过程,系统的对城市隧道矿山法及盾构法施工引起的地层移动与变形的相关问题进行了研究,推导了相应的计算公式,并从理论角度探讨了隧道施工地层变形的影响因素及其影响程度.最后结合概率理论探讨了地层变形计算的可靠性,主要完成了以下研究内容:博士学位论文(1) 以随机介质理论为基础,从单元开挖引起的地层变形出发,建立了能考虑隧道反复施工停工、隧道掘进速度变化、隧道地质条件变化、单隧道多分部开挖、多隧道平行或交叠施工及半无限开挖等多种不同施工条件下地层变形的时间-空间统一计算公式,真正实现了对地层变形时空过程的实时预测.(2) 研究了隧道施工地层变形计算参数的确定方法,分析了隧道洞内收敛变形的时间过程,提出了因隧道洞内监测滞后所造成的数据缺失问题的处理方法,确定了隧道洞内地层损失的具体计算方法,进一步研究了地层变形计算参数的动态反分析方法.(3) 针对不同的隧道开挖横断面形状,推导了圆形隧道、椭圆形隧道、马蹄形隧道以及其他任意形状隧道施工引起的地层变形的具体计算公式,并从满足工程应用的角度出发,提出了隧道施工地层变形计算的简化方法.(4) 探讨了岩土降水引起的地层有效应力的时空变化过程,从单元有效应力变化引起的单元体积变化出发,推导了单元土体疏水压缩引起的地层变形计算公式,并进一步讨论了在隧道开挖的同时导致土层部分疏水情况下地层变形时空过程的具体计算方法,解决了疏水引起的地层变形时空过程的计算问题.(5) 从经典的Mindlin弹性理论公式出发,考虑盾构施工推进过程中盾构机位置不断变化的实际情况,建立了盾构施工推进过程的力学计算模型,由此推导了盾构推进工作面附加压力以及盾构机外壁与土层摩擦力作用下隧道周边地层变形的计算公式,解决了盾构法施工隧道工作面附近地层变形在时间和空间上的准确计算问题.(6) 考虑隧道施工过程中地层参数、施工参数等对隧道周边地层变形的随机性影响.将可靠度理论、随机介质理论以及其他相关理论相结合,研究了隧道施工地层变形计算的可靠性;同时针对目前相关计算参数的统计资料还比较欠缺的实际情况,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)理论通过计算机对随机变量进行取样,实现了按可靠度理论对地层变形进行具体计算.(7) 根据理论研究成果,采用VC 6.0和MATLAB联合编程的方法,编制开发了地层变形时空统一计算软件.该软件能实现矿山法隧道、盾构法隧道多分部施工以及施工降水等引起的地层变形的确定性计算、可靠性计算和多维图形显示,并具有计算参数反分析和存储功能,多个工程实例的计算验证了程序的可靠性.(8) 讨论了隧道纵向施工分部前后间距,对向(背)向施工、横断面施工分块、施工掘进速度、地下水位降深和降水井距隧道距离进行研究,盾构隧道工作面附加压力、壳壁与土层摩擦力等施工因素影响下地层变形的时空变化规律,为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据.     

杭州地区基坑开挖对邻近既有盾构隧道影响的统计分析

基坑施工对邻近建筑物的影响一直是研究的热点问题,而盾构隧道结构对变形更为敏感,开挖施工对既有隧道的变形影响问题值得重点关注。选取杭州地区17个既有地铁盾构隧道的基坑工程实例,研究开挖施工对隧道结构的变形影响,分析基坑与隧道的水平净距、相对高差、开挖深度等空间参数对隧道变形的影响。研究结果表明：基坑开挖的卸荷作用会引起邻近隧道结构的附加变形,且水平位移通常大于竖向位移;隧道的变形影响随着与基坑的水平净距增大而呈非线性递减;隧道的竖向位移随基坑开挖深度增加而线性增大,且不同开挖深度的敏感性不同。研究成果对类似地区的地铁隧道保护工作具有一定的参考意义。     

污水管线改造工程对既有盾构隧道变形影响

污水管线改造过程中可能存在土体开挖,土体开挖可能对邻近盾构隧道的变形产生不利影响,文中以某市污水管线改造工程对既有盾构隧道的变形影响为例,采用数值模拟分析法,通过对邻近盾构隧道的不同污水管线开挖施工方案的仿真分析,得到土体总开挖量与盾构隧道最大变形的相互关系,并且利用其规律提出污水管线改造的优化方案,为类似污水管线改造工程提供便捷的设计与施工指导。     

不同直径盾构隧道地层损失率的对比研究

地层损失率是引起地面沉降最主要的因素之一。因此,收集了国内盾构隧道地面最大沉降实测数据,利用Peck公式反推得到地层损失率的取值,研究大直径(D10m)与中小直径盾构隧道地层损失率的分布规律及主要影响因素。结果表明:(1)中小直径、大直径盾构隧道施工引起的地层损失率分别有93.19%在0%～2.0%、近70%在0%～0.5%之间,大直径盾构隧道施工引起的地层损失率数值更小,分布更集中;(2)中小直径、大直径盾构隧道引起的地层损失率分别随着地层条件变好、地层渗透性的变小而减小;(3)两种直径盾构隧道的地面最大沉降与地层损失率均具有一定的线性相关性;(4)隧道覆土深度比与地层损失率的相关性较弱;(5)中小直径盾构隧道引起的地层损失率随着地层黏聚力、内摩擦角以及弹性模量的增大而逐渐减小。研究成果可为今后相关地区类似隧道工程施工诱发的地面沉降预测和施工控制提供科学参考。     

叠落盾构隧道施工影响下地层变形及结构受力分析

北京地铁6号线南~东区间工程为北京地区首例叠落盾构隧道工程。针对该工程,本文通过数值模拟与现场实测相结合的研究手段,对叠落盾构隧道施工产生的地层变形及结构受力进行分析,得到以下结论:叠落盾构隧道开挖产生的地层沉降具有不对称性,最大沉降值位于两隧道中心线附近,地表沉降槽宽度较单线隧道减小,沉降值增大,使得土体及地表结构更易发生破坏;下行隧道施工地层损失率大于上行隧道,深部土体产生向隧道内侧变形,且两侧最大水平变形位于下行隧道拱顶上方;叠落盾构隧道施工使得两洞拱腰最大弯矩向两隧道连线方向偏转,下行隧道拱顶弯矩增大,需要在结构设计中引以注意。     

基于FLAC 3D地铁盾构施工地层竖向变形研究

盾构隧道施工会对周围土体产生扰动,当土体沉降和变形过大时,会对邻近地下管线产生危害。采用统一土体移动模型解计算盾构隧道施工引起的土体自由位移场,通过能量方法建立变分控制方程,得到盾构隧道施工引起地下管线竖向位移的计算方法。为了预测盾构施工地铁隧道时隧道地层变形情况,采用FLAC3D岩土模拟软件对地铁穿越富水砂卵石地层进行模拟分析,可对类似工程有所助益。     

软土地区盾构上穿越既有隧道的离心模拟研究

随着地铁网络不断完善,新建盾构隧道近距离穿越既有隧道的现象越来越多。盾构近距离穿越既有隧道的影响问题,比常规盾构施工的研究更为复杂。结合上海外滩通道盾构上穿越地铁 2 号线工程,采用离心模型试验与现场实测相结合的方法对盾构上穿越对周围地层及既有隧道的影响进行了研究。文中选用排液法在离心场中模拟盾构施工,在国内首次实现了在不停机状态下模拟隧道开挖卸载、地层损失和注浆过程,并分析了盾构上穿越施工引起的地层、新建隧道与既有隧道的纵向位移变化规律。通过现场实测数据分析了既有隧道在盾构上穿越过程中纵向变形与时程曲线的变化规律。     

盾构隧道扩建地铁车站地表沉降预测及分析

 广州市轨道交通6#线东山口站左线站台隧道采用盾构先行过站后扩挖方案修建,地面环境复杂,且建筑物桩基所处地层含水量高、孔隙比大,盾构隧道扩挖施工易引起较大地面沉降。应用数值模拟方法对扩挖施工诱发地层失水引起的地表沉降以及现场扩挖施工变形控制措施的实施效果进行预测,并且运用叠加原理将得到的最终地表沉降与实测数据进行对比分析。结果显示：地层失水沉降及扩挖施工沉降比例为2∶3;盾构隧道台阶法扩挖上台阶施工地表沉降量较大,两台阶两部与两台阶四部扩挖法地表沉降差别不大,盾构扩挖法修建左线站台隧道最大地表沉降为右线CRD法站台隧道的65%;拱部大管棚、袖阀管注浆复合超前预支护增加了地表沉降槽宽度,减小了地表沉降量及倾斜;盾构轴线偏移方案减小了围岩塑形区范围,更好地发挥拱部超前预支护的效果。     

多线叠交盾构施工引起土体变形数值模拟分析

针对上海地铁十一号线徐家汇站至上海体育馆站施工区间隧道四线叠交的复杂穿越形式,采用三维有限元方法,模拟了多线叠交盾构隧道施工的整个过程。利用单元生死技术和重复设定单元属性等方法实现土体卸荷、盾构推进、管片拼装以及注浆硬化等动态施工过程,针对多线叠交盾构施工穿越既有隧道区域所引起的地层变形进行了分析,将得出的数值模拟结果与监测结果进行对比,研究结果表明,地表沉降最大值的位置与盾构机顶推面位置有一定关系;当两线隧道穿越完成后,地表沉降的最大值位置与单线隧道穿越引起的最大值位置相比会发生一定量的偏移。研究成果可以为多线叠交盾构隧道施工区域保护技术的实施提供一定的理论基础。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

地铁“先隧后站”车站基坑施工力学效应分析

为了解“先隧后站”法先期隧道施工产生的土体扰动对后期地铁车站基坑开挖的影响规律,以厦门地铁2号线高林站工程为依托,根据工程经验考虑4种地层损失率η,通过数值模拟先盾构隧道后明挖法扩建地铁车站基坑开挖过程,研究基坑开挖破除隧道前后基坑变形及围护墙内力变化规律。计算结果表明:地表沉降和墙体侧移及内力分布规律基本不变,但极值存在一定变化;对于地表沉降极值η为0.5%、1%和2%时的比无隧道时(η=0)分别增大15.8%、12.6%和10.7%;对于围护墙侧移,η从0.5%增至2%,极值增幅约4.1%;先期盾构隧道施工力学效应不利于后期基坑开挖。为克服这种不利效应,现场提出了一套基坑土方开挖及管片拆除的施工方案,实践表明采取的方案可靠,基坑安全稳定。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

土-岩复合地层盾构掘进对桥梁变形影响分析

依托深圳地铁11号线宝安—碧海湾区间盾构穿越桥梁桩基工程,采用FLAC3D有限差分软件研究土-岩复合地层盾构近距离掘进对桥梁桩基础、桥面的变形影响规律及影响范围,并与实测结果进行对比。结果表明:隧道施工对周围地层的影响可划分为塑性破坏区、弹性区和无影响区3个区域;盾构隧道掘进引起的桥面沉降较大,盾构对桥面变形的影响范围为盾构掘进面距桥面为-5D~4D;位于2条隧道之间的桥梁桩基受到2条隧道的影响,桩身竖向位移较大,且最大竖向位移位于桩顶;位于隧道侧方的桩基,盾构施工引起的X方向水平位移值较大,且施工对其影响范围也更大,具有一定的滞后性。     

大粒径卵漂石地层盾构破岩机理及工程应用

盾构法在地下工程中应用广泛,但其技术系统具有极强的地层适应性差异,需要针对特殊地层进行专门设计。大粒径卵漂石地层是盾构法的世界禁区,迄今为止,国内外适用该种地层的技术系统和成功的工程案例较少。根据大粒径卵漂石地层的力学特征及空间分布规律,采用理论分析与现场验证相结合的手段与方法,系统研究重型刀具与大粒径卵漂石的相互作用机理及盾构开挖过程中刀具与地层的能量传递原理,基于能量原理提出重型刀具的劈裂破岩机理。基于应力波传播理论及黎金格新表面理论,提出盾构在富含超大粒径卵漂石地层中的破岩机理--阻尼环境下重型刀具锤击劈裂破岩;相应推导破岩所需的最小扭矩,为盾构机刀盘装备扭矩选取提供依据;在北京地铁九号线06标“军事博物馆站-东钓鱼台站”盾构区间工程中得到验证,并获得成功应用。研究结果对指导盾构选型、盾构隧道施工及反馈设计具有重要理论与实际意义。     

平行隧道开挖引起上方既有隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道大多数采用平行双洞的布置形式作为隧道设计施工方案,根据不同的地层条件等因素采用盾构法或暗挖法施工。由于城市地下空间变的越来越拥挤,研究新建平行双洞隧道施工过程中对邻近既有隧道的影响程度问题显得尤为重要。本文基于两阶段分析方法研究预测平行双洞隧道开挖引起上方已建隧道的纵向变形的简化解析方法。首先,采用两高斯曲线叠加,计算新建平行双洞隧道施工引起的作用在既有隧道上的附加荷载。然后,将既有隧道考虑为Winkler 地基上的Timoshenko梁,建立既有隧道纵向变形的基本微分方程,并基于Galerkin 法进行求解。将本文提出的简化解析方法得到的结果与工程沉降实测数据进行对比以验证本文提出的预测方法的合理性。最后,进行了参数敏感性分析,研究了不同隧道相互位置、地层损失率、相对抗弯刚度和地层土性参数等对结果的影响规律。