浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析

地铁隧道施工中,隧道开挖程序、施作的步骤对隧道稳定性及地表沉降影响显著。北京地铁10号线某标段浅埋单洞双层隧道,是出入口通道与车站中洞、旁边单层侧洞相接的暗挖部分,单、双层转换,初支结构形式和施工都很复杂。目前国内外对单洞双层隧道分析较少,与车站和通道相连接的这种单洞双层隧道比较短,对它的分析往往被忽视。对采用3层6导洞的CRD工法施工的这种浅埋单洞双层隧道的施工性态进行数值模拟,分析该区域隧道施工引起的地表沉降,探索一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态,拱顶沉降及拱顶主应力的变化规律。数值分析表明:施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽向未开挖一侧偏移,此过程中地层最大沉降并不发生在隧道中线处,而是完成全部开挖,地层变形稳定后,其累计沉降最大值位于隧道中线处。隧道开挖衬砌完全施作后,地表沉降变化不大,但是后续开挖步引起的结构内力应予以重视,尤其对于中隔壁支撑及拱底衬砌的支护,要及时施作拱底二次衬砌。研究结果为单洞双层隧道分步施工控制地表变形和洞周位移提供参考依据。     

地铁施工对邻近建筑物和地表变形影响的分析

根据沈阳地铁中街站大跨度隧道洞桩法开挖施工过程中引起地表沉降变形的现场跟踪监测数据,分析得出隧道开挖过程影响地表沉降变形的特征和规律。结果表明:对地层土体扰动较大、明显影响地表沉降变形的步序分别是小导洞开挖和初衬扣拱施工阶段,约占最终沉降量的70%,而其他步序影响较小,因此控制小导洞开挖和初衬扣拱施工阶段的地表沉降是工程关键。分析还表明,施工前对拱顶上部地层及建筑物基础围岩进行注浆加固,可显著减小地表和建筑物的沉降变形。     

浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层变形分析

 重叠隧道施工必然发生相互影响,产生诸如地表沉降难于控制等一系列问题,特别是在浅埋富水软弱围岩条件下修建重叠隧道,此类问题更加明显。通过对深圳地铁一期工程国贸～老街区间重叠隧道施工引起的地层变形实测分析,得出了富水软弱围岩条件下浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层运动规律。在该类地层条件下施工重叠隧道,具有变形量大、地表沉陷突发、地层损失率高(地层损失率高达9.2%,远大于一般地层)、地表横向沉降槽局部曲率和斜率大的显著特征。结合隧道围岩性质试验成果和现场工程条件,对地层变形机制及其主要影响因素进行分析,在此基础上提出该类围岩条件下施工浅埋暗挖重叠隧道控制地层变形的技术措施,并在深圳地铁I期工程的后期施工中得到充分利用,取得了显著效果。研究成果对同类地层暗挖重叠隧道施工地层变形控制具有借鉴和参考价值。     

地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测

由于变形监测的滞后，在城市地铁隧道施工中所测到的拱顶下沉通常仅为总下沉量的一部分，并且其所占的比例在不同地层条件下具有较大差异。而隧道拱顶的下沉过程及其最终下沉量则是隧道支护设计及地层环境控制的重要基础。通过对深圳地铁一期工程部分区间隧道拱项下沉的回归分析认为，隧道拱项下沉过程遵循指数函数关系，由此可对未量测部分的拱顶下沉量进行预测。通过数值模拟验证了该分析结果的可靠性，并且开挖面前方的超前拱顶下沉量较大。结合隧道开挖应力释放及地下水流失造成的地层失水效应，分析了不同地层条件下拱顶下沉与地表沉降的关系，较好地解释了深圳地铁一期工程建设中拱顶下沉与地表沉降较大而且两者之间呈线性关系的特点，这是由于现场监测滞后以及地层中富水含细砂所致。该成果对城市地铁隧道暗挖施工、支护以及地层环境的控制设计都具有重要的参考价值。     

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。     

小转弯半径曲线盾构隧道开挖引发地表沉降计算

小转弯半径曲线盾构隧道施工引发的地表沉降变形规律极为复杂,但相应的变形预测解析公式仍未明确。依据前人研究成果,构建曲线段盾构隧道施工的地层损失模型,基于镜像法及Mindlin解,推导曲线盾构隧道开挖引发地表沉降的计算公式,并将其应用于工程实例计算,最后分析曲线盾构隧道施工引发地表变形规律及其影响因素。研究表明:构建的小转弯半径曲线段地层损失模型合理,推导所得公式适用于实际工程计算;地表纵向沉降在靠近刀盘3倍洞径范围内变化极大,刀盘前方3倍洞径范围内地表会产生轻微隆起,刀盘后方3~4倍洞径处出现最大沉降;地表横向沉降槽为非对称分布,最大沉降位置位于弯道内侧,距刀盘中心线约1倍洞径;地层损失引起的地表横向沉降大小主要受转弯半径及盾壳长度影响,地表横向沉降槽偏移程度主要由刀盘直径大小决定。     

软土地层欠压状态下小净距叠交盾构隧道施工分析

为分析软土地层小净距叠交隧道施工影响,以无锡地铁3号线出入段线隧道倾斜穿越长机区间及电力隧道为工程背景,使用FLAC3D5.0软件进行施工模拟,分析土仓处于不同欠压状态下土体及管片的变形及受力规律。结果表明:开挖引起的地表沉降随支护应力比的降低而增大,随土层深度增加土体沉降槽系数变小且量值增大;由于隧道处于倾斜叠交状态,开挖产生的应力释放导致隧道洞周土层位移出现不均匀变化,同时不同隧道施工对地表沉降存在叠加效应。不同支护压力比下电力隧道结构变形量值保持在10mm左右,支护压力比为0.53时新建隧道管片结构的变形量达到29mm,接近规范限制,在施工中应控制支护压力比不低于0.53,既有长—机区间隧道受力呈现先不利、后有利的变化趋势,电力隧道受力呈不利状态,施工时需密切关注。     

小转弯半径曲线盾构隧道开挖引发地表沉降计算

小转弯半径曲线盾构隧道施工引发的地表沉降变形规律极为复杂,但相应的变形预测解析公式仍未明确。依据前人研究成果,构建曲线段盾构隧道施工的地层损失模型,基于镜像法及Mindlin解,推导曲线盾构隧道开挖引发地表沉降的计算公式,并将其应用于工程实例计算,最后分析曲线盾构隧道施工引发地表变形规律及其影响因素。研究表明:构建的小转弯半径曲线段地层损失模型合理,推导所得公式适用于实际工程计算;地表纵向沉降在靠近刀盘3倍洞径范围内变化极大,刀盘前方3倍洞径范围内地表会产生轻微隆起,刀盘后方3～4倍洞径处出现最大沉降;地表横向沉降槽为非对称分布,最大沉降位置位于弯道内侧,距刀盘中心线约1倍洞径;地层损失引起的地表横向沉降大小主要受转弯半径及盾壳长度影响,地表横向沉降槽偏移程度主要由刀盘直径大小决定。     

港珠澳大桥拱北隧道施工变形规律分析

在地质条件复杂的沿海富水地层开挖浅埋超大断面隧道,面临诸多风险,暗挖施工易对围岩进行扰动,引起地层变形。新型"管幕冻结"支护可以有效控制暗挖施工引起的地表沉降过大问题,该工法下隧道开挖过程中地表位移变化主要受暗挖产生的地层损失和土体冻结膨胀以及隧道开挖卸荷后的上浮效应等因素影响。基于现场实测数据,对洞内拱顶位移、水平收敛和地表变形规律进行分析发现,拱顶位移与对应地表处的位移变化具有较强的一致性,纵向上在隧道中部段出现上浮,两侧洞口段出现下沉。受分层开挖扰动影响,隧道两侧土体向内变形导致洞内水平收敛增大,最大水平收敛为15.72 mm,约为隧道横向跨度的0.8%。新型管幕冻结暗挖施工工法可以很好地控制富水地层渗漏水问题,且极大地减小了隧道内部的位移变形,但其冻结膨胀引起地表隆起及解冻后的地表融沉问题仍需密切关注。     

隧道掘进地层应力释放对开挖面稳定影响数值研究

隧道开挖时通过在开挖面提供支护来控制开挖引起地层应力释放,以维持开挖面稳定并控制地层变形,开挖面稳定则受到地层应力释放的影响。采用有限差分数值软件FLAC3D实现隧道掘进时开挖面应力释放模拟,并分析不同程度地层应力释放对开挖面稳定性影响。模拟发现随着应力释放程度增加,开挖面历经弹性变形、塑性变形和破坏三个阶段,开挖面变形由弹性阶段进入到塑性阶段为开挖面失稳临界状态,而开挖面变形由塑性阶段进入到破坏阶段为失稳极限状态。对失稳极限状态研究发现,此时开挖面失稳表现为开挖面上部局部破坏,随着开挖直径D增加局部破坏失稳现象更加明显;浅埋隧道开挖面局部失稳将发展至地表,而由于土拱效应,深埋隧道开挖面失稳破坏发展至拱顶一定高度处不延伸至地表;失稳对开挖面后方D/4至前方D/2范围内地表沉降影响明显,随着埋深比C/D增大开挖面失稳对地表沉降影响减小。     

Behavior of Ground and Response of Existing Foundation Due to Tunneling

An apparatus has been developed to model the excavation of a tunnel in the laboratory. With this apparatus, 2D model tests are carried out to investigate the surface settlement and the earth pressure brought about by the tunneling. Finite element analyses using an elastoplastic subloading t_ij model are also conducted. The influence of volume loss on the surface settlement and the earth pressure, due to the shallow tunnelling, is illustrated based on the model tests and the corresponding numerical analyses. It is revealed that the surface settlement troughs and the earth pressure distributions around shallow tunnels depend on both the volume loss and the crown drift of the tunnel. The effect of the interaction between the tunneling and existing nearby foundations is also demonstrated in this paper. For existing foundations, the building loads control the surface settlements and the zone of deformation during the tunnel excavation. The behavior of the foundations depends on the deformation mechanism of the ground during the tunnel excavation. The induced axial force and bending moments in the piles of a piled raft are investigated numerically, and it is shown that the axial force changes due to the stress relaxation of the ground. Bending moments are induced in the piles at a lower value of soil cover due to the differential settlement of the piled raft.     

重叠隧道盾构施工对先建隧道影响模型试验研究

针对软土地区重叠盾构隧道施工中,由于不同开挖顺序及不同推进速度下既有隧道位移和内力变化规律,设计了4组模型试验,试验结果表明,先上后下施工时,下线隧道的施工引起上线隧道纵向的沉降,且上线隧道管片环向内力发生偏转,拱底两侧内力变化最大;先下后上施工时,上线隧道的施工引起下线隧道纵向隆起,且下线隧道管片环向内力发生偏转,拱顶两侧内力变化最大;不管何种施工顺序,都会引起隧道纵向附加内力,但纵向内力表现为波动性和临时性。从纵向位移及既有隧道的内力改变来看,先下后上施工顺序的安全性优于先上后下的施工顺序。在重叠盾构隧道施工过程中,既有隧道的附加变位和内力值均随着推进速度的增大而增大,并且推进速度的影响范围也相应增大,所以在施工期间,应合理控制盾构机的推进速度,以免对近接既有隧道的结构安全造成较大的影响。     

浅埋铁路隧道CRD法施工对地表变形影响的数值分析

针对龙厦铁路石桥头隧道工程围岩软弱,埋深浅的特点,应用数值分析手段,分析了浅埋铁路隧道在CRD法下施工,对地表沉降变形的影响。结果表明:CRD法下隧道各部施工对地表沉降均有影响,掌子面上部开挖产生的地表沉降明显大于下部,纵向地表沉降随隧道开挖过程分为三个阶段。结合分析结果,文章指出了施工过程中应采取的相应措施。     

软土地下工程与深基坑研究进展

针对当前国内外软土地下工程研究现状进行系统概括和评述,重点探讨深基坑和盾构隧道两种典型地下工程涉及的关键土工问题。其一是复杂地质及环境条件下软土基坑工程的分析方法与新技术,包括基坑围护结构受力分析、基坑抗隆起稳定性分析、渗流对基坑稳定性的影响、深基坑工程中的冗余度问题、软土基坑工程的新技术;其二是软土隧道工程的稳定与变形问题,包括隧道开挖面稳定性分析、渗流对隧道开挖面稳定性的影响、隧道纵向不均匀沉降与长期沉降、隧道地震响应分析与动力模型试验;最后是软土地下工程施工的环境土工效应,包括基坑开挖引起的土体变形、隧道开挖引起的土体变形、地下工程开挖对周围环境的影响。     

土压平衡盾构土舱压力建立机制及设定准则研究

 土压平衡盾构掘进施工中,土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。结合超大直径土压平衡盾构施工的上海市迎宾三路隧道工程,利用理论分析和实测数据分析的方法对土压平衡盾构的土舱压力建立机制和设定准则进行研究。基于进出土平衡理念研究土舱压力建立过程中各施工参数间的关系,提出开挖面土体挤压量这一概念以揭示土舱压力的建立机制。建立盾构刀盘的细化模型,分析刀盘挤压作用下盾构开挖面上土体的挤压情况。基于控制开挖面土体不发生二次扰动的理念,提出土压平衡盾构土舱压力的设定准则,并对该土舱压力设定准则进行工程应用。现场监测数据显示,盾构掘进施工引起的地表隆沉得到有效的控制。     

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。     

盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方地面工后沉降进行研究,结果表明,土体开挖卸荷引起应力释放,产生初始超孔隙水压力,其分布呈三角形。假定衬砌不排水、土体为单面排水、压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到地面工后固结沉降的理论计算公式。假定地面长期沉降主要由施工期间沉降和工后固结沉降组成,进而得到地面长期沉降的理论计算公式。算例分析结果表明：该方法的预测值与实测值非常吻合;上海软土地区盾构隧道施工引起的地面长期沉降相当显著,最终地面沉降量在80 mm以上,固结沉降占总沉降量的80%～90%;按最小覆土深度5 m计算,需要2 a以上地面沉降才能最终稳定。     

地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理论并运用Laplace变换技术,提出了地表堆载作用下盾构隧道开挖引起的周围土体位移和应力的时域解。依托相关工程监测数据与简化时域解对比,得到了较好的一致性。研究结果表明:所得出的时域解能较好地反映地表堆载作用下盾构隧道开挖对周围土体位移场的影响,以及地层变形随时间的发展趋势。在地表堆载影响下,随着时间推移,开挖引起的地层变形不断增加,沉降速率则呈现出逐渐衰弱直至为零规律,而堆载突变导致其地表沉降值尤其沉降速率变化显著。研究成果对黏性地层密集堆载群范围内的隧道施工控制具有一定理论指导意义。     

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。     

双隧道不同开挖顺序对临近群桩的影响研究

双隧道不同开挖顺序对临近群桩承载性能的影响鲜有报道。针对此问题,采用基于地层损失比的位移控制有限单元法(DCM),对软土地基中不同埋深双隧道不同开挖顺序对处于工作荷载下群桩工作性能的影响进行研究,并与相关离心模型试验结果进行比较。得到以下结论:双隧道不同开挖顺序对群桩桩顶附加沉降和群桩承载能力损失影响差别显著,当先开挖上覆隧道时,群桩桩顶的附加沉降量为先开挖下置隧道时的1.25倍,且群桩承载能力的损失率约为后者的1.2倍;两工况中第二个隧道的开挖使得群桩中前桩附加弯矩和后桩附加弯矩均有明显的增大,此与分居群桩两侧但埋深相同的双隧道开挖对群桩弯矩的影响规律迥异;两工况下均产生较大的附加弯矩和附加轴力,且最大附加弯矩和最大附加轴力均位于上覆隧道轴线附近。