地面堆载对临近地铁盾构隧道影响的研究综述

随着城市地铁规模不断扩大,地铁隧道临近区域经常会发生地面堆载的现象。地面堆载会引起隧道发生一定的纵向和横向变形,当地面堆载过大时甚至会导致地铁隧道衬砌管片发生破坏、管片之间接口处缝隙增大、连接管片之间的螺栓发生失效等现象。根据现有研究成果,到目前为止学者们关于地面堆载对隧道影响的内容可以总结成以下四个部分:纵向受力和变形,横向受力和变形,安全性评估,加固方法与效果研究。文中将关于地面堆载对临近地铁隧道的研究成果按照研究内容进行分类,并提出了现有研究的不足之处和需要进一步深入研究的方向。     

基坑开挖对邻近隧道的影响研究

随着地铁运营里程的快速增长及市区土地资源的紧缺,越来越多的工程建设活动不可避免地临近已运营地铁隧道。其中,深基坑的开挖会打破周围土体原有应力平衡,使临近地铁隧道产生附加内力与附加变形,对地铁的正常使用和安全性产生重要影响。通过分析现有研究成果,将基坑开挖对隧道影响的研究方法归纳为四种,分别是:经验预测、数值模拟、现场实测及缩尺试验,并提出每种方法存在的不足之处,为后续研究提供思路。     

突发堆载引起软土地铁盾构隧道大变形整治研究

城市地铁的快速发展难以避免频受外部工程活动扰动影响,其中突发堆载已成为突出问题。上海某地铁区间盾构隧道上方突发大量堆土,最大堆高约7 m,从而引发结构产生横向收敛大变形（ΔD）最大达到34.5‰倍的隧道外径(D),堆载严重威胁到地铁结构及运营安全。介绍了该工程案例,包括堆载引起的隧道结构横纵断面变形及相应的结构病害,提出并实施了及时卸载、堵漏及碎裂修补、后采用芳纶布及钢环结构补强的结构整治措施。卸载对于减缓堆载对隧道结构沉降影响作用明显,卸载之后隧道沉降恢复且部分产生隆起现象,后续张贴芳纶布及钢板环加固措施,可提高盾构隧道横断面承载能力,相比隧道沉降,隧道结构收敛变形状况改善并不明显,水平直径收敛最大仅回缩2.6‰D。案例对于外部扰动对盾构隧道影响及整治研究,具有重要的工程实践价值。     

地面堆载对下方已建隧道变形影响分析

在既有隧道上方或邻近位置进行施工时,施工荷载会引起隧道周围土体的应力重分布,从而对下方已建隧道变形产生影响。现有研究尚未系统地描述地面堆载对隧道变形规律的影响及影响程度,缺乏对地面堆载引起的隧道变形机理研究。为此,本文基于室内模型试验,建立数值模型模拟室内试验,并通过比较试验结果验证有限元分析的有效性。在此基础上,从地面堆载大小、堆载面积、隧道埋深等方面对隧道的变形规律进行了分析,揭示了隧道变形机理,进而构建了预测地面堆载引起隧道顶部最大沉降的计算公式,并通过现场实测结果进行了验证。研究结果系统描述了地面堆载引起的隧道变形规律,定量描述了地面堆载对隧道变形影响程度,通过应力分析揭示了隧道变形机理,可为工程实践中隧道变形预测与控制提供理论支撑。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究

随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角坐标系中竖向荷载作用下层状地基附加应力的基本解;然后将下卧隧道视为Timoshenko梁,基于Winkler地基模型和两阶段法求得隧道纵向位移和内力。为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,对上软下硬、上硬下软两种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。结果表明：地基土成层特性对隧道形状影响比较大,相比而言,隧道下卧土层控制沉降的效果要优于隧道上覆土层。     

堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究

随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角坐标系中竖向荷载作用下层状地基附加应力的基本解;然后将下卧隧道视为Timoshenko梁,基于Winkler地基模型和两阶段法求得隧道纵向位移和内力。为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,对上软下硬、上硬下软两种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。结果表明:地基土成层特性对隧道形状影响比较大,相比而言,隧道下卧土层控制沉降的效果要优于隧道上覆土层。     

地铁安保区桩基施工对临近地铁隧道的影响分析

随着城市建设的大规模发展,越来越多的工程建设项目位于地铁沿线安保区内,安保区内进行桩基施工会对临近的地铁隧道产生一定的影响。以深圳宝安区某工程为例,采用布辛奈斯克解从理论上计算分析了桩基础施工对地铁隧道产生的附加应力的影响,采用Midas GTS三维有限元模拟、分析了桩基施工对临近地铁隧道的变形影响,采用＂体积等代＂的理论计算分析了管桩沉桩施工挤土效应对地铁隧道的变形影响,其分析计算方法及工程经验可供类似工程参考。     

穿越软硬突变地层隧道纵向不均匀沉降分析

纵向穿越软硬突变地层的盾构隧道在外部施工因素影响下极易产生不均匀沉降,从而诱发管片环间错台、螺栓剪断和接缝渗漏水等病害。为进一步研究外部因素对其竖向位移的影响,基于Winkler弹性地基梁理论推导任意荷载作用下隧道竖向位移公式,结合Boussinesq解采用两段分析法分析地面堆载大小、尺寸以及隧道埋深对盾构隧道竖向位移规律的影响。以厦门地铁2号线某区间为工程实例,验证理论公式的合理性。研究结果表明:在地面堆载作用下,隧道竖向位移曲线多数服从正态曲线分布,且软土区盾构隧道竖向位移普遍大于硬土区;堆载长度对最大竖向位移的影响有限,当堆载长度超过一定界限时,最大竖向位移不再增大,但其范围会随之扩大;当堆载宽度超过一定限度时,竖向位移曲线基本不再发生变化;当埋深较浅时,软硬土交界处盾构隧道两侧竖向位移差异不大,随着埋深的增大,隧道最大竖向位移逐渐向软土区偏移。研究结果可为纵向穿越软硬突变土层地铁盾构隧道的设计提供参考依据。     

基坑开挖对旁边盾构隧道影响研究综述

随着城市化建设的推进,地铁建设变的越来越广泛,邻近地铁隧道的基坑工程也越来越多.深基坑开挖施工将对旁边既有地铁盾构隧道产生较大的不利影响,使隧道产生附加变形和受力,关系到隧道的正常使用和安全性问题.根据现有研究成果,将基坑工程对旁边隧道影响的研究方法归纳为：现场实测分析、数值模拟、理论计算方法和离心模型试验法.对发展概况及研究进展进行综述,提出需要进一步研究的课题和研究思路.     

地下隧道施工对邻近建筑物影响的研究现状

地下隧道的开挖必须以地表建筑物的正常使用为前提,过大的地表沉降会引起建筑物的开裂、沉降和倾斜等问题,对建筑物安全使用造成严重的影响。在总结前人研究的基础上,对盾构隧道和暗挖隧道施工对邻近建筑物影响的研究方法和成果进行了回顾和总结,提出了需要进一步研究的课题和研究思路。     

隧道渗漏水分布及控制方法研究综述

近年来我国地铁建设蓬勃发展,但随之而来的是盾构隧道渗漏水问题。渗漏水会导致隧道不均匀沉降,从而又加剧渗漏水的发生,如不加以干预,将形成恶性循环,危及盾构隧道的结构和运营安全。根据现有研究成果,归纳了不同的盾构隧道渗漏水检测方法,分析了盾构隧道渗漏水的分布规律,从管片自防水、接缝防水、注浆防水这三个方面分析了渗漏水的控制方法。最后提出了现有研究的不足之处,对未来盾构隧道渗漏水的研究方向提供了一些建议。     

遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析

 地铁隧道施工诱发的土体沉降以及临近地下构筑物变形是我国城市轨道交通施工安全控制和风险评估中较为关心的一类施工问题。目前,针对该领域地层沉降的简化理论研究还仅仅针对自由位移场,没有考虑临近既有构筑物的遮拦效应影响。依托上海在建地铁施工工程实践,采用简化理论方法、三维有限元数值模拟方法以及现场监测方法,分析考虑运营隧道遮拦效应影响的土压平衡盾构施工引起的周围土体沉降规律,并与自由位移场条件下盾构施工引起的地层变形进行对比分析;在此基础上,给出地铁盾构复杂叠交穿越引起的临近地铁隧道的变形规律。研究表明,本文提出的简化理论方法和三维有限元数值模拟方法可以较好地模拟遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起的地层沉降变形;临近既有建(构)筑物施工,盾构施工引起的周围土体沉降较大程度地受到遮拦效应影响,与自由位移场条件下的计算结果对比存在较大差别。最后,结合盾构施工监测数据,提出复杂遮拦叠交效应下的盾构叠交施工变形控制技术措施。成果可为合理制定施工场地存在复杂建(构)筑物工况条件的地铁隧道开挖对周围环境保护措施提供一定的理论依据。     

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。     

地面出入式盾构引起地下管线附加荷载研究

考虑盾构仰俯角β(即隧道埋深变化)以及地下管线自身宽度,基于Mindlin解和统一土体移动模型三维解,推导出地面出入式盾构隧道掘进中正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失引起的土体附加应力计算公式,进而得到邻近地下管线附加荷载计算方法。算例分析结果表明:盾构上仰时,随着β增大,管线承受的总附加荷载最大值变小;随着管线埋深变大,隧道轴线两侧各0.5h范围内,y向附加荷载分布曲线呈上移趋势;隧道轴线两侧各0.5h范围外,y向附加荷载分布曲线呈下移趋势;隧道轴线两侧0.5h左右处,为管线附加荷载分布曲线的交点。     

基坑开挖及上盖荷载对下卧隧道结构的影响分析

广州珠江新城核心区市政交通项目金穗路以北地下空间基坑位于地铁隧道正上方,基坑开挖、工程(人工挖孔)桩及上盖荷载施工对地铁隧道结构的影响为该工程的关键问题。为此,利用MIDAS/GTS建立有限元模型,对实际的施工工况进行模拟。研究结果表明:隧道结构处于中风化地层的变形量仅为强风化地层的1/3;近距离人工挖孔桩、隧道上方上盖荷载施工及增大转换梁的刚度均能在一定程度上约束隧道的水平和竖向变形;土体偏压开挖对隧道结构水平方向变形影响较大。根据研究结果,提出对下方既有隧道的保护措施,以确保地铁结构安全和正常运营,为设计和施工提供指导意见。     

基于HSS模型的基坑开挖对近邻地铁影响数值分析

随着城市轨道交通网络的不断扩大,城市深基坑工程大多邻近地铁区域。基坑开挖将导致周围土体产生附加位移,当土体位移过大时,就会对邻近结构物产生不利影响,因此开展基坑开挖对邻近地铁隧道区域和车站安全性影响的分析研究具有重要的现实意义。以天津某地铁车站明挖基坑工程为例,运用有限元软件Plaxis 3D分析基坑开挖对邻近隧道区间和车站变形的影响,采用动态模拟施工过程的计算方法,得出了基坑开挖施工时邻近隧道和车站的变形规律,较好的模拟了实际情况。通过计算得出不同开挖阶段隧道区间和车站的变形,为实际工程设计提供参考。     

浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

 防控地表塌陷特别是海床塌陷是浅埋暗挖海底隧道施工的关键问题之一，一旦发生海床塌陷，海水可能大量涌入隧道，将造成灾难性后果。因此，明确地表塌陷的发生机制、诱发因素和相应的控制措施是浅埋暗挖隧道包括海底隧道安全施工的重要保证。以深圳地铁一隧道施工引起的两次地表塌陷事故为工程背景，根据普氏平衡拱理论，对浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷进行深入的分析，明确地表塌陷的发生机制，并结合地层条件和施工情况给出了诱发地表塌陷的原因，在此基础上提出相应的控制技术，并在隧道后续施工中得到应用，取得了理想的控制效果。研究结果表明，严格按照浅埋暗挖法的基本原理和技术要点进行隧道施工，可以有效地避免地表塌陷事故的发生。研究成果对浅埋暗挖城市地铁隧道和海底隧道等类似工程施工预防地表塌陷具有一定的指导意义。     

软土地层中的圆形隧道载荷模式研究

对圆形隧道作用荷载的影响因素，如隧道埋深、施工工艺以及计算方法等作了系统分析。通过对作用在上海软土地层中的3条隧道上的土压力实测值的分析表明，作用在隧道上的土压力值及其分布规律不仅由于隧道的施工方法（挤压盾构或者EPB盾构）有较大差异，而且在隧道的施工阶段和正常使用阶段也不同。在隧道施工阶段，挤压盾构法隧道衬砌呈现“竖鸭蛋”变形，而EPB盾构隧道衬砌则呈现“横鸭蛋”变形。根据经典的主动土压力理论和静止土压力理论计算出的隧道侧压力小于现场的实测值，且二者的偏差较大。根据本文提出的圆形隧道土压力的余弦变化规律理论对3条隧道的荷载进行计算，计算结果与实测值吻合得很好。