青岛上软下硬复合地层矿山法隧道施工地表沉降规律分析

文中依托青岛地铁2号线五南区间矿山法隧道工程案例,运用FLAC3D有限差分软件并结合施工现场监测数据,探究矿山法隧道穿越上软下硬复合地层时地表沉降规律。通过对监测断面的地表沉降数据进行高斯峰值函数拟合,得出地层损失率、沉降槽宽度系数等反映监测断面沉降规律的相关参数。根据数值计算结果并结合现场实测数据,研究洞身处软硬地层厚度比、上覆土层类别以及爆破开挖进尺对地表沉降规律的影响。研究结果表明,随着隧道洞身处软岩比例的增加,地表沉降最大值及地层损失率均显著增加;随着爆破进尺的增大,地表沉降最大值及地层损失率均明显增大;上覆地层条件的改变对沉降槽规律影响不大。青岛地区上软下硬复合地层地铁施工引起的地表沉降受洞身处地层条件及爆破进尺影响显著,受上覆土层影响较小。     

青岛复合地层双洞隧道开挖变形规律

双线隧道开挖不同于单线隧道,为研究复合地层地铁双洞隧道开挖施工引起的地表沉降规律,文中基于青岛地铁四号线静沙区间的相关数据,通过数值模拟对双洞隧道上覆土层的不同组合施工沉降变形规律进行研究。分析结果表明,隧道上覆土层中砂土与黏土层厚度的变化,对双线隧道开挖地表沉降最大值、地表沉降和围岩的应力状态的影响较小,变化幅度也影响较小,即不同的上覆土层条件下,对双线隧道开挖地表沉降规律的影响相对较小。     

软土灰岩复合地层盾构隧道施工地表沉降规律研究

以广州地铁8号线北延伸段石井站—亭岗站区间隧道施工为背景,基于现场实测数据,对上部软土下部灰岩复合地层地表横向沉降和隧道轴线上方地表纵向沉降随盾构开挖的变化规律进行了探究。对比了横向与纵向沉降预测公式与实际监测值,分析了沉降量值与沉降范围的控制因素。结果表明:除了施工因素影响外,该类复合地层中盾构隧道施工引起的地表横向沉降与修正Peck公式基本吻合,最大沉降量值受地层体积损失率影响,主要沉降影响范围的控制因素有隧道埋深、双线隧道间距、隧道穿越层的性质;纵向沉降发展规律与Sagaseta公式基本吻合,沉降快速发展区范围控制因素有隧道埋深、纵向地层不均匀性。     

盾构穿越不同地层的地表沉降规律及预测研究

城市盾构隧道穿越不同地层时的地表沉降规律的预测和研究对隧道影响范围以及周边环境影响区域的确定有着显著作用。文章以南京某地铁线路为背景，收集并整理分析了该地铁线路盾构施工全过程的地表沉降实测数据，结合地层分布规律选取了3种盾构穿越的主要地层（分别为软塑状态粉质黏土地层、硬塑状态粉质黏土地层以及砂土地层）作为分析对象进行统计，分析了盾构隧道穿越不同地层下纵向和横向沉降规律，并提出了适用于南京地区的修正Peck公式。研究结果表明：（1）纵向地表变形变化规律基本呈线性，盾构通过后距离隧道断面直径4D～6D范围内，地表沉降急剧发展，后趋于稳定；（2）横向沉降曲线基本符合正态曲线，并在此基础上提出了南京地区的修正Peck公式；（3）通过已有实测数据对文章提出的修正Peck公式进行了验证，检验了文章提出公式的适用性。相关研究成果对南京地区的盾构隧道设计及施工有一定实际意义。     

地铁双线隧道开挖地表沉降规律及计算方法研究

应用数值模拟方法,结合现场实测数据,对上软下硬地层中,双线隧道施工诱发地表沉降规律及其计算方法进行了研究。研究结果显示:双线隧道施工完成后,地表横向沉降曲线呈非对称分布,先行隧道上方的地表沉降量大于后行隧道上方的地表沉降量;双线隧道错距施工过程中,地表沉降曲线最大值位置由先行隧道上方逐步向后行隧道上方移动,沉降变形主要发生在后行隧道穿越监测断面之前。数值模拟正交试验结果显示,隧道埋深和隧道间距对施工过程中地表沉降影响较大,设计过程中,应充分考虑隧道埋深及隧道间距对地表沉降产生的影响。正交试验结果的非线性拟合分析结果显示,双线隧道施工诱发地表沉降计算公式中的i值与隧道开挖顺序无关,最大沉降量比γ直随隧道间距增加而轻微减小,当开挖错距在隧道开挖纵向影响范围内时,γ值变化不大。引入参数γ对双线隧道开挖地表沉降计算公式进行改进,并将改进后的地表沉降计算结果与实测结果进行对比,验证了该计算公式的正确性。     

超大直径盾构隧道近接穿越条件下克泥效工法对土体及既有结构变形特性影响的研究

超大直径盾构隧道近接穿越施工时,盾体通过阶段上覆土体变形规律及上覆既有建（构）筑物变形控制是目前地下交通工程建设中亟待解决的关键科学问题。采用现场原位监测,揭示了盾体环向间隙克泥效压注对盾构施工影响范围内土体变形的影响规律;结合上海北横通道新建工程Ⅶ标段15.56 m级超大直径盾构隧道近接穿越地铁10号线工程实例,对克泥效工法的上覆建（构）筑物沉降控制效果进行了分析。结果表明：在砂质粉土层中进行盾构法施工时,压注克泥效可有效减小盾体通过阶段地表位移量及地表沉降速率,同时可辅助减小地表工后总位移量;盾体通过阶段地表位移量、地表沉降速率及地表工后总位移量与克泥效压注量近似呈线性负相关;在盾构近接下穿既有隧道施工时,采用克泥效工法可显著提高盾体上方建（构）筑物的隆起量,使建（构）筑物变形控制在-20～+20 mm范围内。以上研究结果有助于推进超大直径盾构隧道近接穿越施工对地表及上覆建（构）筑物变形影响的定量研究,为沿海软土地区相似工况条件下克泥效工法的应用提供依据。     

上软下硬地层隧道开挖三维有限元分析

上软下硬地层大断面隧道受力结构复杂,分步开挖对围岩扰动大、风险高。为分析大断面隧道开挖受力特性,探寻分步开挖变形规律,利用MIDAS/GTS NX岩土分析软件建立三维有限元模型,对隧道开挖过程中地表沉降、隧道收敛、锚杆轴力、初支应力受力特性进行研究。通过分析得出,上软下硬地层大断面隧道开挖地表沉降主要发生在上台阶施工阶段,上台阶开挖引起的地表沉降占总体沉降量的97%;硬岩地层大断面开挖台阶间距对地表沉降、隧道收敛、初支结构受力影响不大。研究成果可为上软下硬地层大断面隧道开挖提供借鉴和参考。     

浅埋地铁隧道施工影响下含空洞地层的变形特征分析

地层空洞的存在使得隧道结构周围的地层环境变得更为复杂,在地铁隧道施工的影响下极易引起地表沉降加剧甚至地表坍塌。针对V级围岩地铁隧道,采用三维模型试验和数值模拟研究了不同位置地层空洞对地表沉降的影响规律以及空洞的变形特征,同时通过修正后的Peck公式对试验结果进行拟合分析。研究结果表明:空洞的存在使得地层损失加剧,地表沉降槽深度和宽度均有所增大,沉降槽曲线整体向空洞一侧偏移,通过修正后的Peck公式能较好地拟合出沉降曲线形态;从地表整体沉降形状上看,空洞上方一定范围内地表沉降较大,地表会出现明显的沉降盆形态;综合考虑空洞对地表沉降槽宽度和深度以及地层损失率的影响,认为空洞位于隧道斜上方是最不利位置,在施工过程中对这一方位地层空洞应重点关注;不同方位空洞的变形模式不同,主要表现为立式椭球体和卧式椭球体等变形模式。     

复杂地层隧道位移与应力变化规律研究

盾构隧道在不同地层中开挖,会改变其地表沉降规律。文章结合杭州地铁6号线穿复杂地层的工程实例,采用Flac3D软件进行数值模拟,研究盾构隧道穿越不同土层分布情况下的施工力学特性,对地表及管片位移、管片应力的变化规律进行分析,研究结果表明,盾构地表沉降符合peck沉降曲线规律,实际值比模拟值小12%。盾构在粘土层中地表沉降值比粉砂层大,盾构穿越观测面后18m范围内受扰动影响明显,开挖距离超过30m沉降趋于稳定。     

土质对盾构隧道下穿道路沉降影响的分析

为研究不同土质条件对盾构隧道下穿既有道路沉降的影响,文中基于长春市城市轨道交通2号线盾构隧道穿越的实际地层,运用Midas GTS NX软件,分析不同土质条件下盾构隧道的施工对道路沉降的影响。结果表明在盾构隧道掘进过程中,道路路面横向沉降曲线呈现凹槽形状,其中最大沉降值位于隧道中心线正上方;盾构隧道开挖过程中,距隧道中心线2.5D范围内的路面受影响较大;盾构隧道上覆土层土质条件改变对路面沉降的影响较弱,而穿越土层土质条件发生改变对地表沉降影响较大。相对于粉质黏土,隧道在强风化泥岩中进行盾构开挖对地面沉降影响较小。研究成果可为盾构隧道施工对既有路面沉降的监测防治等提供参考与指导。     

浅埋隧道施工对上覆地层变形影响的试验研究

以浅埋隧道近接施工引起上覆地层的变形为研究对象,引入透明土试验技术和粒子图像测速技术(简称PIV技术),设计开展了隧道开挖对地层变形影像的透明土模型实验,并且考虑了隧道分部开挖过程中地层变形的动态变化情况。采用量纲分析法推导出模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计了隧道开挖模拟试验模型箱,对不同隧道埋深工况进行了隧道开挖模拟,得到了竖直平面内地层沉降分布结果。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展浅埋隧道开挖模拟试验研究,上覆地层沉降的演变过程与隧道掌子面推进时的相对位置具有密切关系。     

盾构隧道下穿既有隧道地面变形分析

以郑州地铁工程为背景,研究盾构隧道下穿既有隧道引起的地表变形。基于地层沉降经验公式——Peck公式的预测结果,结合施工现场监测数据分析结果,将两者进行对比,从而得到地表沉降监测断面的累计沉降曲线,与Peck经验公式计算得到的沉降槽曲线变化规律相同,符合地表沉降变形规律,即微小沉降阶段、急剧沉降阶段、缓慢沉降阶段、沉降稳定阶段。可以通过该理论预测更好地控制隧道沉降和收敛变形,保持均衡、连续的盾构推进,减少因盾构停顿造成的地面、隧道沉降。     

基于BP神经网络的水下岩溶地层#br# 盾构掘进参数预测与分析

随着我国城市地铁网的建设,越来越多的隧道将不可避免的穿越水下岩溶区,受制于岩溶地层的复杂性、注浆加固后地层的诸多不确定性,盾构穿越该类地层施工风险极大,而选取合理的盾构掘进参数是确保盾构安全与高效掘进的关键。以长沙地铁三号线盾构穿越水下岩溶段为工程依托,首先通过统计与分析钻探数据,明确了岩溶分布特征;其次,通过输入地层特征参数和隧道特征参数,建立了可输出盾构掘进速度、推力、刀盘扭矩、开挖仓压力、气垫仓压力和同步注浆量等掘进参数的BP神经网络水下岩溶盾构掘进参数预测模型;最后,对样本数据进行了训练,并成功应用于工程实践。研究结果表明：训练的输出值与期望值吻合度较高,构建的BP神经网络模型具有较好的适应性;输出的预测结果能有效反映实际盾构掘进参数的变化趋势,预测值与实际期望值的平均误差均低于13%,在误差可接受范围内。现场应用结果表明,地表沉降在安全范围内,盾构掘进过程中未发生工程事故,盾构掘进参数选取合理,姿态控制较好。研究成果可用于指导水下岩溶盾构隧道工程施工,且该方法的提出也为其他复杂地层盾构掘进参数合理选取提供了新思路。     

Deformation characteristics and safety assessment of a high-speed railway induced by undercutting metro tunnel excavation

Stratum deformation (settlement) is a challenging issue in tunnel engineering, especially when construction of metro tunnels has to undercut high-speed railway. For this purpose, we used the FLAC^3D software to analyze the stratum settlement characteristics of high-speed railway at different crossing angles intersected by metro tunnel, in terms of ground settlement trough, stratum slip line and irregularity of ballastless tracks. According to the evolution of the stratum settlement at different angle regions, an optimized angle is proposed for the actual project design. In order to reduce the influence of stratum settlement on the safety of high-speed railway, an approach of safety assessment is proposed for the shield engineering undercutting high-speed railway, as per Chinese specifications using numerical results and on-site conditions. A case study is conducted for the shield tunnel section crossing the Wuhan – Guangzhou High-speed Railway between the Guangzhou North Railway Station and the Huacheng Road Station, which represents the first metro tunnel project passing below a high-speed railway in China. A series of measures is taken to ensure the safe excavation of the shield tunnel and the operation of the high-speed railway. The results can provide a technical support for performing a safety evaluation between high-speed railways and metro tunnels.     

全风化岩层中双线盾构上穿近邻地铁隧道影响分析

依托佛莞城际铁路盾构隧道在全风化花岗岩地层中上穿广州地铁七号线工程,针对全风化花岗岩地层致密、渗透系数小及双层四线叠交穿越复杂地层等特点,通过现场监测与三维动态有限元数值模拟手段,解决实际工程中注浆压力合理取值与既有隧道变形控制这两大难题。其中,通过模拟掘进隧道在不同注浆压力值的工况下,对既有隧道动态上浮变形值和地表沉降值的影响关系,进而确定最佳注浆压力值。同时,由于双层四线叠交穿越工况对既有隧道扰动的影响较大,为避免发生管片错台和开裂等危险,结合工程实际提出控制既有隧道变形的措施。研究结果表明：在全风化地层中注浆压力设为0.5MPa时,能合理控制地表沉降与既有隧道变形;穿越施工对既有地铁隧道竖向变形的影响存在“滞后效应”;盾构单线穿越后,既有隧道竖向变形呈现近似单波峰状的正态分布曲线;盾构二次穿越后,曲线形态由近似正态分布曲线向类“M”双波峰形转变,且波峰位置产生约2m的偏移;既有隧道横断面管片最终变形呈“竖鸭蛋”状,其横向椭圆度为1.4‰,竖向椭圆度为0.71‰。针对分析结果,工程中采取合理的压重措施,有效抑制既有隧道的上浮变形,研究成果在隧道穿越类似地层的施工中具有一定的参考价值。     

跨地裂缝地铁隧道竖向地层压力计算方法探讨

 地裂缝是一种特殊的地质灾害,其活动方式主要表现为地层的垂直错动并引起地表破裂,对工程建(构)筑物危害十分严重。地裂缝活动引起其两侧地层的差异沉降会在跨越地裂缝带的地下结构上产生不同于一般地层的附加应力(压力),导致地下结构纵向拉裂甚至直接剪切或剪断破坏。如何求解地裂缝环境下地层有效荷载是跨越地裂缝带地下工程结构设计的关键。以西安地铁穿越地裂缝带为研究背景,通过对浅埋暗挖地铁隧道穿越地裂缝带大型物理模型试验作用机制及数据的分析,建立地裂缝活动环境下地铁隧道与周围土体荷载结构模型,用于计算跨地裂缝段地铁隧道结构上覆竖向地层压力的大小。探讨性地提出基于地层挟持作用的地裂缝荷载计算方法,并与基于马斯顿原理的地裂缝荷载计算法及规范法进行对比,最后与模型试验结果进行对比验证与讨论,认为基于地层挟持作用地裂缝荷载计算法是计算跨地裂缝地段地铁隧道结构上覆地层土压力的有效方法,该方法对于地面沉降地裂缝发育区地铁隧道及城市地下工程设计具有重要指导和参考价值。     

上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测

针对工作面上覆高位硬厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验研究了主关键层下离层空间的演化过程与形态特征,分析了离层空间的层位演化与横向扩展规律、覆岩与主关键层的运移规律;通过理论分析揭示了离层空间形成的机理与条件,提出了离层空间演化特征的确定方法,建立了主关键层底部最大离层空间的分析模型与预测方法。研究表明:岩层组合失稳运移形成"月牙"形离层空间,以间歇式跳跃上升至岩浆岩底部,岩浆岩底部存在较大的离层空间,并由"月牙"形逐渐转变为"一字"形,岩浆岩破裂运移导致离层闭合。离层空间在亚关键层及主关键层底部自下而上动态发育与闭合,层位高度及发育范围与推进距离呈正相关性,可采用"多梯形"方法确定其演化过程。覆岩运移经历下位关键层沉降、运移向主关键层底部发展、底部盆地沉降、岩浆岩运移及整体稳定等5个状态,覆岩下沉形态先后呈"V"型、"√"型及"U"型。岩浆岩运移过程分为下部支撑、底部离层扩展、破裂随动、失稳运移及离层闭合稳定等5个阶段。建立了最大离层空间的覆岩结构及弹性基础梁模型,得到其断面积和体积的预测计算式,为高位岩浆岩下安全开采提供了理论依据。     

地铁重叠隧道上覆地层变形的数值模拟

以在建的深圳地铁I期工程重叠隧道为例,采用FLAC3D非线性大变形程序对重叠隧道暗挖四步台阶法施工引起的地层三维变形规律进行了数值模拟研究。结合现场试验断面的实测数据对比分析,得到隧道开挖过程中开挖引起的地层变形和失水引起的地层变形量值,并区分一般地层和含水、含砂地层的环境控制标准,明确了深圳一般软土地层地表沉降最大值为60mm,含水、含砂地层地表沉降最大值为120mm。同时指出,对沉降控制要求较高的地段,可采用造价较高的地表垂直旋喷等辅助施工措施减小地层变形,这已在实际工程中取得了成功。研究结果对深圳地铁后期建设和同类地层地铁施工环境控制有借鉴和参考价值,对浅埋暗挖法在富水软土地层中的推广应用提供部分理论依据。     

盾构隧道穿上软下硬地层掌子面顶推力优化研究

上软下硬复合地层是盾构施工中经常遇到的一类地质状况,在这种特殊地层条件下进行盾构施工有很多难点,结合深圳地铁7号线穿越上软下硬交界地层的工程实例,采用数值模拟的计算方法,对盾构隧道穿上软下硬复合地层(“由软入硬”及“由硬入软”)掌子面各分区内顶推力进行优化分析,结果表明:在盾构掘进穿越上软下硬地层的过程中,适当减小上部分区内千斤顶推力并增大下部分区顶推力的措施可以有效减小“由软入硬”段管片应力(S1减小2.76%~3.1%、S3减小3.39%~3.46%),并得出掌子面上中下分区内千斤顶推力的比例在8∶13∶18~10∶13∶16范围内较为合理。但这种调整盾构姿态的措施会使地表沉降出现增大趋势,而在实际工程中则可以适当增大土仓压力来抑制地表沉降的增大。     

黏质黄土地层高铁隧道变形控制基准研究

黄土隧道具有埋深浅、开挖时变形量大、稳定性差的问题,下穿既有建构筑物时,给地表建构筑物的安全带来巨大的影响,需保证开挖过程中变形在规范规定的范围内。针对黏质黄土地层高铁隧道开挖过程中的拱顶及地表变形规律进行分析,结合现场实测数据的分析,得出黏质黄土地层中隧道的沉降量与埋深及开挖方法有直接关系,相同的埋深下地表沉降与拱顶沉降有着显著的线性关系,其比值与施工方法的相关性不大。进一步得出了基于地表沉降控制要求的黏质黄土地层高铁隧道施工变形控制基准:S_v=[δ]/i_H,可供类似工程进行变形控制提供依据。