上海长江隧道抗浮模型试验与理论研究

饱和软土盾构隧道施工中,对于刚脱出盾尾的隧道经常会出现局部或整体上浮,隧道直径越大、覆土越浅,上浮现象越为突出,表现为隧道错台大、螺栓被剪断乃至轴线偏位,影响到隧道的稳定和施工质量等,传统抗浮设计未能考虑处于时变特性单液浆中隧道的浮力动态因素,现行相关设计规范也没有对隧道抗浮设计和施工措施做出明确的规定。文章首先介绍了上海长江隧道抗浮模型试验与结果,确定了超大直径隧道动态上浮力,以此为基础提出了隧道上浮稳定机理,并建立了盾构隧道上浮计算的理论模型,据此进行了上海长江隧道抗浮验算,并提出了相应的抗浮技术措施。     

基于模型试验的盾构隧道施工期浆液浮力计算

在盾构法施工隧道时,刚脱离盾尾的管片被同步注浆浆液包裹,受到浆液的浮力作用。浆液不同于一般的流体介质,浮力的规律值得研究。通过室内材料试验和模型隧道抗浮试验,研究隧道结构在同步注浆浆液中浮力的变化规律,建立了单液浆包裹下隧道浮力的计算理论,为进一步研究实际隧道掘进施工时的稳定性提供依据。     

盾构隧道管片上浮机理与控制分析

盾尾后方管片上浮是盾构法隧道施工过程中普遍存在的问题。本文针对南京地铁三号线TA-14标胜-天区间的盾构隧道施工过程中出现的管片上浮现象,分析了盾构隧道掘进过程中管片上浮的机理。从实测数据及受力分析入手,提出了管片上浮的两个阶段,其中第一阶段为管片上浮的主要时间段,在短时间内就完成了管片上浮总量的70%,为重点研究阶段。研究探讨了管片上浮量的决定性因素,认为改善水泥砂浆的初凝时间以及早期抗剪强度是有效控制管片上浮的重要措施之一。提出了施工过程中盾尾后方管片上浮的对策和针对性措施,可为今后类似盾构隧道施工提供参考。     

北京地铁小间距浅覆土平行盾构隧道施工技术

《地铁设计规范》GB50157—2003规定盾构法区间隧道覆土厚度一般≥1.0D(隧道外廓直径),平行隧道净距一般≥1D,不能满足要求时应进行特别分析。北京地铁亦庄线宋家庄—肖村区间有200m区段最小覆土厚度4.1m(0.68D),最小隧道水平净距仅3.0m(0.5D)。通过对工程地质情况和周边环境进行分析,在工程经验基础上结合数值模拟,对地层和隧道结构的受力变形特征进行了研究,确定了盾构施工参数和掘进控制技术。信息化施工保障在未进行地层加固的情况下通过了此风险源。沉降监测结果揭示了北京地区小间距浅覆土盾构隧道沉降规律。     

盾构隧道穿越水底浅覆土施工技术对策

从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件着手，推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式，得到了盾构穿越水底浅覆土保持土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度。结合南京地铁南北线一期工程，提出超浅覆土情况下水底隧道盾构施工应采取的工程对策。并介绍了南京地铁试验段工程采取的措施及取得的效果。相关结论可供水底隧道、地铁区间隧道浅覆土进出洞盾构施工参考。     

近距离穿越既有隧道结构下的小半径、大坡度盾构接收风险及控制技术

盾构法施工技术在近距离穿越既有隧道结构、小半径和大坡度接收方面仍存在较多施工难点。以南京地铁5号线大校场站—大校场车辆出入段线区间盾构施工为例,分析了近距离穿越既有隧道结构下的小半径、大坡度掘进接收施工风险,从浅覆土近距离上穿隧道结构,近距离穿越隧道结构,小半径、大坡度盾构接收,以及管片破损和盾尾漏浆等方面,针对性地提出了具体的风险控制措施,降低了施工风险,以期为同类工程提供经验和参考。     

盾构穿越已建隧道的影响分析及应对措施

通过研究盾构法施工对地层的扰动以及隧道的受力变形特征,结合上海地铁盾构穿越隧道的工程实践,探讨了盾构施工对已建隧道变形的控制措施,获得了一定经验。同时指出,注浆工艺和上覆土厚度对隧道变形的影响应引起足够重视。     

上软下硬地层中盾构隧道管片上浮机理与控制分析

为了研究盾构隧道管片在上软下硬地层中的上浮机理,通过对施工阶段单环管片的受力情况进行分析,得出了浆液产生的浮力是引起管片上浮的主要诱因的结论。同时,建立了上软下硬地层中盾构隧道管片上浮量计算模型,引入上浮力时变系数,推导出了管片上浮量预测公式,并结合青岛地铁1号线某盾构区间施工实践,验证了其理论解的准确性。最后,提出了有效的抗浮措施,可为盾构隧道内管片上浮的控制提供参考。     

地下水环境下地铁车站抗浮离心模型试验研究

离心机模型目前已成为岩土工程中的物理建模的有力工具之一,可将离心场中加速度放大为地球重力加速度的n倍来模拟岩土工程中应力条件。利用相似理论推出相同地下连续墙的挠度相似系数是原型的1/n,可以利用离心模型模拟有地下连续墙的地铁车站的抗浮特性。本文依托宁波轨道交通建设工程,研究覆土厚度、围护结构插入比及土层的含水量对地铁车站浮力和抗浮性状的影响,并进行离心模型试验研究。根据模型试验总结出的结论,可对宁波软土中地铁车站浮力和抗浮性状起指导作用。     

大断面盾构隧道施工抗浮计算研究

基于大断面盾构隧道施工中经常碰到的上浮问题,首先讨论了盾构隧道施工中管片上浮的原因:水、注浆所用浆液、泥水盾构所用泥浆等所产生的浮力,以及建筑间隙的存在、施工过程对上覆土的扰动等,都可能是盾构管片上浮的原因.进而对盾构隧道抗浮问题进行了计算分析,在上覆土荷载及管片自重荷载之和小于管片所受浮力的情况下,重点考虑了邻接管片对上浮管片的约束作用(管片环间的摩阻力以及管片纵向连接螺栓自身的抗剪切能力),以及剩余力对上覆土产生的压缩效应.分析结果表明:隧道上浮问题的产生与否不仅与管片自重、上覆土荷载以及受到的浮力大小有关,也与管片本身特性有关;隧道抗浮控制既可以从改善上覆土性能,增加上覆土厚度入手,也可以从改善管片自身受力性能入手,诸如增加纵向螺栓数量、加大螺栓直径、加大螺栓紧固力、设置剪力键等.     

考虑上浮效应的盾构下穿对既有隧道影响研究

新建盾构隧道下穿会对上部既有隧道产生扰动,并可能使隧道产生结构病害。由于盾构管片重量远小于相应开挖土体重量,新建隧道的上浮效应会对既有隧道产生影响。基于两阶段分析法提出考虑新建盾构隧道上浮影响的隧道下穿引发既有隧道纵向变形计算模型,并利用现场实测数据进行验证。结果表明：考虑上浮效应的理论计算结果与实测数据较为吻合;控制新建隧道上浮量或减小新建隧道直径可有效减小由于上浮效应造成的既有隧道隆起变形。研究成果可为全面合理评估隧道下穿对既有隧道的影响提供依据。     

基坑开挖下抗浮锚杆对盾构隧道控制效果预测

研究布置在盾构隧道上的抗浮锚杆对隧道上浮的抑制作用。建立在布置抗浮锚杆的既有盾构隧道上方进行基坑开挖的三维有限元模型,考虑布置抗浮锚杆的长度、直径、角度、间距和每管片根数,分析抗浮锚杆布置方案不同对其抑制盾构隧道上浮效果的影响,同时考虑基坑的开挖工况与和盾构隧道的相对位置关系,分析抗浮锚杆在不同工况下的作用效果。研究结果表明:在盾构隧道管片上布置抗浮锚杆对上浮有一定抑制作用;盾构隧道上抗浮锚杆长度越长、直径越大、间隔越小、每管片布置根数越多,抗浮锚杆的作用效果越好;抗浮锚杆布置角度应在30°左右较为合适;盾构隧道埋深越大,抗浮锚杆的作用效果越好;基坑开挖的长或宽越大、开挖深度越大,抗浮锚杆的作用效果越明显。     

营运期地铁盾构隧道动力响应分析

采用三维动力有限差分法,考虑接缝、管片分块和软土地层等因素,对广州地铁四号线埋置于深厚软土地层之中的盾构隧道在地铁营运期间动力响应进行深入分析,并对考虑管片接缝与否2种计算模式进行比较分析。研究结果表明,地铁列车动载作用下,隧道动力响应自底部向顶部逐渐衰减,强烈区主要集中在下半部。管片环动力响应与接缝分布有关,临近接缝部位的动力响应值比远离接缝部位的动力响应值要大些。隧道基土动力响应强烈区主要分布于贴近管片环外围的一定范围内,越接近管片环、愈接近隧道底部,基土动力响应愈为强烈。地层动力响应由隧道壁往外快速衰减,受振区主要集中在距隧道中心约2倍隧道直径范围的近域地层内。当针对管片衬砌结构本身进行动力响应分析时,若把管片衬砌当整体考虑则会引起较大误差,故应考虑管片接缝;当针对地层进行动力响应分析时可不考虑接缝而把管片衬砌当成整体考虑,由此带来的误差在一般情况下可忽略不计。     

埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

管隧平行时地下管线沉降的影响因素分析

采用FLAC3D如有限差分计算程序,考虑了管线沉降的土质、材质、直径、埋深、管隧水平间距等影响因素,建立了盾构隧道-土体-地下管线相互耦合的三维数值计算模型,模拟了盾构隧道开挖对平行地下管线沉降的影响.计算结果表明,管道周围的土质及其材质、直径、埋深、水平间距等因素对管线沉降的影响较为明显,在施工中应给予重点关注.     

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。     

海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷

介绍国内外跨海隧道工程建设现况及其设计施工和研究特色，论述海床基岩工程地质、水文地质特征与综合地质勘察，对影响海底隧道最小覆盖层厚度——隧道最小埋置深度进行讨论，并就施工探水与治水、隧洞围岩防塌险情预报与预警——围岩稳定性评价，以及施工期对隧道衬护原设计参数的调整与修正等问题作分析与探讨。同时，对海底隧道衬砌结构选材，耐腐蚀高性能海工混凝土，以及公路与城市道路长、大海底隧道的防灾与救援等专门性问题阐述一点认识。最后，对超大型盾构机长距离掘进与深水急流海底沉管隧道的设计、施工等列出其中的若干技术关键问题。所论述的各个方面问题，可供国内当前在建和待建的几座海底隧道设计与施工技术人员参考。     

砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

考虑尾隙的盾构隧道土压力离散元数值分析

采用改进的离散元商业软件PFC2D对砂土层中管片周围的土压力进行了大量的数值模拟,重点研究了埋深、尾隙等因素对管片周围土压力分布的影响。研究结果表明:尾隙存在时,隧道顶部的土体产生了不均匀沉降,导致压力拱效应的产生;隧道顶部至地表出现转动加剧区域;应力路径变化过程表明,隧道周围土体经历了先卸载后加载的变化过程;在应变路径变化曲线上可将管片周围土体的变形划分为三个变化阶段。