软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

盾构隧道在不同施工工况中地表变形的模拟研究

为研究盾构隧道在不同施工工况中地表及自身的变形规律,本文建立了盾构隧道的有限元模型,对盾构隧道在不同施工工况下的开挖进行了模拟计算,即采用不同掘进顶推力施工时的地表沉降、隧道不同埋深情况下施工时地表沉降、开挖完成后地表作用大面积荷载情况下的地表沉降,以及隧道修建完成后地下水位变化后对盾构隧道变形等不同工况的模拟计算．结果表明：盾构的顶推力会导致其前方一定范围的地表土发生向上的隆起,并且顶推力越大,隆起变形和范围均较大．在相同顶推力作用下,埋深较大的隧道地表点的隆起变形和范围较小．地下水位上升会导致地表浅层土体发生回弹变形,并且下方有盾构隧道的地表的回弹值要比下方没有盾构隧道的地表的回弹值小;当地下水位从盾构隧道拱底逐渐升高到中心处和拱顶时,盾构隧道结构会出现竖向和侧向变形,并且水位越高,变形量也越大．     

盾构隧道施工过程地表变形的数值模拟计算

为研究盾构隧道在掘进过程中地表不同点的位移变化,建立盾构隧道掘进的有限元模型,对盾构隧道的开挖进行了有限元数值模拟．结果表明：盾构隧道在掘进过程中,会导致地下土体应力释放,使地表土发生相应沉降,并且隧道纵向轴线正上方地表点的沉降变形最大．当掘进距离超过一定深度后,其后方较远地表点的沉降变形趋于稳定．盾构的顶推力会导致其前方一定范围的地表土发生向上隆起．在注浆层硬化前、后过程中,不论是拱脚、拱顶及对应地表点的沉降位移均会比注浆层硬化前要大．     

一侧有建筑物时盾构引起地表沉降的数值分析

本文利用有限元程序 Midas/GTS,综合考虑土体非线性、土体与盾构作用、注浆压力、千斤顶推力、密封舱土压力等要素,建立了隧道-土-桩基-建筑物三维非线性有限元模型,研究地表一侧存在建筑物时及盾构施工参数对地表沉降的影响。通过三维仿真数值模拟得出以下结论：地表存在建筑物时,地表沉降最大值比无建筑物时要小,且最大沉降值背离建筑物方向,偏离盾构中心轴线;盾构支护压力越接近侧向静止水土压力地表沉降越小,合理的控制盾构施工参数（注浆压力、盾构机千斤顶推力）可以有效减小地表沉降。     

盾构隧道壁后注浆对地表沉降影响数值模拟研究

论文针对上海地铁2号线工程,采用三维数值模拟软件FLA3D对盾构隧道开挖后壁后注浆对地表沉降影响进行了模拟计算与实测数据的对比分析研究.研究揭示了注浆长期强度和注浆浆液时间-强度变化对地表沉降的影响规律,所得结论可供盾构隧道设计与施工参考使用.     

盾构下穿施工对既有城市道路沉降影响研究

以合肥市地铁建设四号线天水路站-翠柏路站盾构区间为工程背景,研究盾构下穿对既有城市道路造成的影响。运用MidasGTSNX建立数值分析模型,研究隧道埋深和开挖距离对道路沉降的影响。结果显示：先开挖左线时,沉降在开挖第五到第十环过程中发生突变;埋深在2D以内时,随着开挖的进行,沉降曲线从“单谷”转为“双谷”,但沉降峰值始终保持在左线隧道中心线附近;埋深超过2D,双线隧道的相互作用可以忽略,全线贯通时的沉降峰值出现在双线隧道中心线上方;埋深始终与影响范围成正比,与影响程度成反比。合理安排这两种因素能够有效控制道路沉降,保证施工安全。     

浅埋隧道渗流量及孔压分布规律——以富水地区为例

目的 分析不同渗流情况下隧道的渗流量及孔压分布规律,为进一步研究管片的内力和盾构隧道的长期固结沉降打下基础.方法 对于富水地区的浅埋盾构隧道采用等效渗流的处理方式,基于复变函数的映射变换,推导了稳定渗流情况下隧道的渗流量及隧道周围土体孔压的解析公式,并与国内外的研究成果对比,证明了推导公式的可行性.由于隧道渗流特性多样,以上海盾构隧道为工程实例,重点分析了土体与衬砌的相对渗透系数、隧道埋深与渗流量、孔压分布的关系.结果 处于不同土层中的渗流场相差很大;土体与衬砌的相对渗透系数对渗流量有重要的影响且对隧道周围的孔压分布起决定作用:土体与衬砌的相对渗透系数越大,孔压越接近静水压力,衬砌承担的水头就越大.结论 适合于深埋隧道渗流量公式并不一定适用于浅埋隧道;在渗流推导中若简化衬砌的阻水作用,则不能准确反映隧道周围的孔压分布.     

溶洞注浆加固对地铁盾构隧道建设的影响研究

本研究依托深圳地铁16号线盾构隧道穿越岩溶溶洞工程,采用数值计算分析方法,建立溶洞注浆加固对地铁盾构隧道建设安全影响的力学计算模型,综合考虑岩溶溶洞注浆加固的空间属性,重点研究不同大小的溶洞注浆加固前后对地铁盾构隧道稳定性的影响作用.研究结果表明:随着溶洞高度的增加,盾构隧道开挖受未注浆加固溶洞的影响越来越大;相比于对溶洞不进行处理的盾构隧道开挖,溶洞的注浆加固处理能有效限制盾构隧道在穿越较大直径溶洞时的地表沉降和隧道围岩变形;相比于对溶洞不进行处理的盾构隧道开挖支护,溶洞的注浆加固在改善了围岩塑性区的分布及其受力状态,尤其对于直径较大的溶洞,注浆加固提高了盾构隧道在穿越大型溶洞时的安全性.     

平行隧道开挖引起场地沉降的透明土模型试验研究

为了便捷现代城市交通,地铁系统普遍采用平行隧道模式。平行隧道开挖引起的场地沉降预测一般基于单一隧道工况,利用简化叠加法生成变形剖面,而没有考虑两个隧道之间的相互作用。采用透明土模型试验技术,自主研发平行隧道模型试验装置及试验方法,研究了在砂质场地上开挖平行隧道引起的地表和地层沉降特性。通过模型试验探索了平行隧道间距、土体损失率、埋深等要素对地表和地表沉降的影响规律。在此基础上,量化了土体损失率和场地沉降值间的数值关系。此数值关系可为砂质场地中平行隧道施工与设计提供参考依据,也为隧道间距初选以及埋深的初步确定提供理论支撑。     

软土盾构隧道开挖面支护压力极限上限解

考虑到天然软黏土非均质性和各向异性特点,采用极限分析上限法在不排水条件下对盾构隧道开挖面稳定进行了研究,推导了极限支护压力的计算公式。土体非均质性和各向异性对极限支护压力的影响有相互放大作用,在当土体非均质性和各向异性较强时,极限支护压力与隧道埋深的关系存在一个极大值。分析结果表明,在分析软土盾构隧道开挖面稳定性时,土体的非均质性和各向异性影响较大,不能忽略。     

盾构隧道壁后注浆浆体变形特性

利用浆体变形单元体模型试验装置,研究了不同浆体压力、不同围岩土质条件以及不同地下水压作用下的盾构壁后注浆体的变形规律。试验研究表明,较高的浆体压力有利于加快浆体排水固结速率并增大浆体的最终变形量。土体的渗透系数是影响浆体变形的重要因素。在砂性土体中,地下水压对浆体的变形影响较大,在粘性土体中,浆体压力对浆体的变形影响较大。该装置可以用于研究浆液注入盾尾空隙后的受力状态、浆体的变形特性,有助于更深入地明确壁后注浆控制地层应力释放和地层变形作用。     

隧道开挖对邻近土体位移影响的数值分析

在城市修建地铁的过程中,隧道洞口开挖会不可避免地对隧道洞口周围的土体产生影响。采用有限差分软件FLAC3D来分析由于隧道开挖而引起的土体位移。在数值模型中,假设衬砌为线弹性材料;而土体则是由Mohr--Coulomb破坏准则控制的弹塑性材料。将采用有限差分软件计算得到的土体位移结果同采用解析法以及经验法得到的位移结果进行对比。并结合不同土层刚度以及衬砌刚度的情况,来分析以上两个因素对土体位移的影响。经过分析得到的结果表明：（1）通过有限差分软件计算得到的地表土体沉降曲线能够与采用解析法以及经验法得到的沉降曲线很好的吻合,但是采用数值方法得到的沉降曲线相对较宽并且较浅。（2）在上软下硬土层中,地表土体的最大沉降值将变大而沉降曲线将变窄;而在上硬下软土层中,地表土体的最大沉降值将变小而沉降曲线将变宽。（3）随着衬砌刚度的增大,土体的位移将会减小。     

软土地基工程特性与地基处理方法适用性讨论

对软土和软土地基的工程特性进行了归纳分析，并对目前常用的几种软土地基处理方法的特点及适用范围做了比较和分析，指出选用软土地基处理方法时应周密考虑多方面因素的影响，并可以联合采用多种地基处理方法来加固软土地基。     

软岩地下洞库施工的水土耦合有限元模拟

为了解决饱和软岩地下洞库开挖稳定数值模拟分析中的2项关键问题：合适的本构模型和超孔隙水压对岩体受力变形的影响,基于软岩的类超固结土性质,将下负荷面理论应用于修正剑桥模型,推导出适用于研究软岩地层开挖数值模拟的简易本构模型,并通过三轴试验结果与数值模拟结果相比较验证新本构模型的适用性;然后通过某一实际软岩地下洞库开挖工程的数值模拟,对比分析水土耦合和水土非耦合方法得到的数值模拟结果与现场实测结果间的符合程度.结果表明,新提出的所需参数较少的简易软岩本构模型能较好地模拟岩体在开挖过程中的受力变形特征,同时发现采用水土耦合算法模拟饱和软岩地下洞室开挖能够很好地模拟实际开挖过程中围岩的受力与变形情况.     

饱和软土地基弹塑性固结沉降研究

软粘土孔隙比大、渗透率低、压缩性和含水量高,这种特性决定了它的变形沉降受到包括应力历史、应力路径、固结压力、软土特性等诸多因素的影响.本文引入基于混合物理论的两相多孔介质理论描述饱和软土的弹塑性固结沉降过程.该理论具有理论推理严密和数学论证严谨的特点,能够充分考虑固结过程中的水土耦合作用.     

双向增强体复合地基工作性状的时效性研究

为了揭示双向增强体复合地基的工作性状随时间的变化规律,采用数值模拟方法对其四种典型情况下的工作性状的时效性开展研究(1. 桩端穿透软土层,瞬时加载;2. 桩端穿透软土层,分步加载;3. 桩端未穿透软土层,瞬时加载;4. 桩端未穿透软土层,分步加载).探讨四种情况下软土地基中超静孔隙水压力的分布规律和消散特性,分析了填土的最大水平位移、沉降和差异沉降及桩体中性点位置的变化特性,以及筋材拉力、桩体轴力和桩体荷载分担比随时间的变化规律.研究结果表明,加载方案和桩体的受力型式对双向增强体复合地基工作性状的时效性有显著的影响.瞬时加载方案产生的最大超静孔隙水压力远大于分步加载方案的结果;相同的加载方案下,桩端穿透软土层时,软基中的最大超静孔隙水压力远小于未穿透软土层情况.分步加载方案的固结时间小于瞬时加载方案的固结时间,桩端穿透软土层时的固结时间远小于未穿透软土层时的固结时间.     

深基坑基底注浆加固效果数值模拟分析

采用高压旋喷注浆工艺对软土地区的基坑底部土体进行加固是保证深基坑施工安全与工程稳定常采用的方法。基于某地铁站监测数据,利用PLAXIS 2D软件建立了其数值计算模型并进行模型校核,对加固和未加固两种工况进行了数值模拟,对比分析了地连墙的位移和弯矩、地表沉降等开挖响应。研究表明,对软土地区基坑进行基底注浆加固,能有效减小地连墙的侧向变形和地表沉降。并针对加固区厚度、地连墙嵌入深度及刚度、软土层厚度4个参数进行了分析与讨论,优化了加固区的合理厚度、地连墙的合理嵌入深度,研究了基坑变形受地连墙刚度和软土层厚度影响的敏感性。     

连续墙施工引起的地层移动现场监测分析

通过对地下连续墙成槽开挖及混凝土浇筑施工的现场监测数据分析,分别讨论了槽段分段开挖、泥浆持荷时间、泥浆压力及混凝土浇筑对槽段周围土体侧移和地表沉降的影响.监测结果表明:地下连续墙开挖会引起周围地层土体侧移(向连续墙内侧)和地表沉降,且变形主要发生在软土层;土体侧移和地表沉降值随槽段开挖深度的增加而增大,随距槽段水平距离的增加而下降;泥浆持荷时间对土体侧移和地表沉降的影响不大,但施工中应注意土体变形速率的变化;提高泥浆液面高度可以减小土体侧移,对地表沉降影响不大,但液面下降过多会显著增加土体侧移和地表沉降;混凝土的浇筑可有效地降低土体侧移和地表沉降值.     

软基上海堤结构优化研究

以软土地基上的海堤为研究对象,根据软土变形的时效特征和自重应力场与渗流场的耦合特性,建立软土蠕变模型和渗流作用下的耦合应力场分析模型,并采用有限元强度折减法进行稳定分析。对不同海堤结构断面型式进行了优化分析,所给出的结论可供同类工程借鉴。     

地脉动产生机理和传播特性的研究

以福建省沿海地区场地地脉动和地基固有特性为研究对象,采用室内与现场原位测试相结合、快速傅立叶变换方法进行数据采集和处理,并采用数理统计方法对它们的相关性进行分析,间接地定量研究地脉动的产生机理和传播特性,通过震害反分析得到进一步验证.研究结果揭示了地脉动是一种以剪切波为主的体波,为地脉动体波成因理论提供了有力的支持;剪切波在覆盖层中的等效剪切波速是影响地脉动卓越周期的主要因素,覆盖层厚度、软土层厚度及刚度是影响地脉动卓越周期的重要因素;剪切波在覆盖层中的传播时间与地脉动卓越周期密切相关,能够较好地反映地脉动卓越周期的变化.