大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验

南京某地下步行通道采用非开挖顶管法施工,顶管近距离穿越既有地铁区间隧道及城市主干道。为了保证隧道及主干道安全,施工前建立三维有限元计算模型,模拟施工全过程,预测施工可能引起的隧道及地表变形。根据数值模拟结果提出针对性控制措施,并制定合理的监测方案,分别对隧道竖向位移、水平位移、径向收敛和地表隆沉进行监测。基于监测数据分析隧道及地表变形规律,明确顶管施工期间隧道及地表变形的3个不同发展阶段。研究表明:隧道竖向位移主要表现为隆起,由通道内出土卸荷所引起,工作井基坑开挖对其影响几乎可以忽略;顶管施工过程中,下覆隧道竖向位移先后经历了初始下沉、隆起增强和隆起稳定3个阶段,地表竖向位移先后经历了隆起增强、隆起减弱和沉降3个阶段;同一监测断面内,地表最大沉降位于通道中心轴线上方,距离通道越远沉降越小;采用微欠挖工艺有效控制了隧道最终隆起和地表最终沉降。     

盾构隧道叠交施工引起的土层位移场分布规律

考虑盾构隧道叠交施工之间的相互影响,应用边界单元法对相邻隧道开挖过程中的三种典型叠交位置关系,引起的地层位移场分布规律及相互影响进行分析。分析结果表明:单条隧道开挖引起的地表最大沉降值出现在隧道轴线的正上方,而两左右或上下相邻隧道开挖的地表及土层内部的最大沉降值则出现在两隧道的纵轴线之间,且偏向上方埋深较浅的隧道。隧道开挖引起的地层深层与浅层变形趋势是一致的,但在两隧道轴线上方深层土体的沉降要远比浅层土体大。叠交隧道的埋深及其相对空间位置关系对土层的位移场有较大的影响。     

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。     

Construction of a large-section long pedestrian underpass using pipe jacking in muddy silty clay: A case study

This paper presents a case study of constructing a large-section long pedestrian underpass using pipe jacking method in Nanjing, China. The underpass, having a width of 7 m and a height of 4.3 m, was jacked 94.5 m in muddy silty clay under a busy roadway with 6.2 m overburden soil, meanwhile it traverses above the existed shield metro tunnels with just 4.5 m from the underpass bottom to tunnel vault. This paper introduced the design and construction schemes of this project in detail. A pre-construction three dimensional numerical simulation was conducted to investigate the responses of the roadway and metro tunnels to pipe jacking construction. Based on the simulation results, the field monitoring program was proposed, and the tunnels deformation and ground settlement were constantly monitored. The field performances of the metro tunnels and roadway were analyzed according to the monitoring data. In the jacking process, the micro-underbreak method was adopted. In order to decrease the tunnels uplift and ground settlement, the actual volume of soil conveyed out from soil chamber to ground surface was kept 95–98% of theoretical soil volume cut by cutter head. In general, this project is completed successfully without taking any additional time and money-consuming deformation control measures. The ground traffic and underneath metro runs well during the whole construction process.     

基坑开挖对邻近既有盾构隧道的影响分析

为研究基坑开挖对既有盾构隧道产生的影响,以某已建地铁周边基坑工程为背景,通过数值模拟的方法对开挖过程中隧道的位移和膨胀变形进行研究,并与现场监测数据进行了对比分析。结果表明:基坑开挖时,两平行隧道中距离基坑较近隧道的位移变形量大于较远隧道的位移变形量; 同一隧道同一监测线上距离基坑越近隧道监测点位移总变形量越大,且隧道整体朝向基坑方向偏移; 同一隧道的同一竖向截面上不同点的位移不同,靠近基坑一侧监测点位移数值大于背向基坑侧的位移数值; 隧道在整体隆起变形趋势下,存在“竖鸭蛋”变形趋势; 纵向隆起位移量随监测点呈抛物线分布并向两边逐渐减小; 数值模拟结果与现场监测结果基本一致,验证了模拟的正确性; 研究成果可为因地铁周边新建建筑引起地铁变形可能发生的危害做出预警,并提出相应防治措施,为待建地铁隧道项目的安全设计和施工提供参考。     

Ground movement induced by triple stacked tunneling with different construction sequences

This study tried to explore the ground movement induced by triple stacked tunneling(TST) with different construction sequences. A case study in Tianjin, China was used to investigate the ground movement during the TST(upper tunneling(UT)). For this, a modified Peck formula was proposed to predict the surface settlement induced by TST. Next, three sets of finite element analyses(FEA) were used to compare the effects of construction sequences(i.e. UT, middle tunneling(MT), and lower tunneling(LT))...     

MJS桩加固对上覆地铁运营隧道影响研究

以长沙地铁4号线下穿2号线运营隧道MJS水平桩加固工程为背景,对MJS水平桩施工期间周围地层孔压、2号线隧道附加应力、竖向位移进行监测分析,获得MJS水平桩施工对周围地层及运营隧道的影响规律。研究表明:MJS水平桩在钻孔期间,对周边地层孔压及隧道受力变形基本无影响;喷浆期间周围地层孔压增量随距离增加线性减小,隧道附加应力和竖向位移有明显变化,最大分别达到1.8 MPa和5.42 mm,但管片受力变形均处于允许范围内。表明MJS桩施工期间,隧道处于安全状态,研究可为类似工程提供参考。     

Load transfer mechanism in pile group due to single tunnel advancement in stiff clay

Construction of tunnels in urban cities may induce excessive settlement and tilting of nearby existing pile foundations. Various studies reported in the literature have investigated the tunnel–soil–pile interaction by means of field monitoring, centrifuge and numerical modelling. However, the load transfer mechanism between piles in a group, the induced settlement and the tilting of a pile group due to tunnel advancement has not been investigated systematically and is not well understood. This study conducts three-dimensional, coupled-consolidation finite element analyses to investigate tunnelling effects on an existing 2 × 2 pile group. The construction of a 6 m diameter (D) tunnel in saturated stiff clay is simulated. Responses of the pile group located at a clear distance of 2.1 m (0.35D) from a tunnel constructed at three different cover-to-diameter-of-tunnel ratios (C/D) of 1.5, 2.5 and 3.5 are investigated. The computed results are compared to published data based on field monitoring. It is found that the most critical stage for settlement, tilting and induced bending moment of pile group due to tunnelling is when the tunnel face is close to the pile group rather than at the end of tunnel excavation. The depth of the tunnel relative to the pile group has a vital influence on the settlement, tilting of pile group and the load transfer mechanism between piles in pile group induced by tunnel excavation. Tunnelling near the mid-depth of the pile group (i.e. C/D = 1.5) induces the largest bending moment in the piles, but the settlement and tilting of the pile group are relatively small. Based on a settlement criterion, apparent loss of capacity of the pile group is 14% and 23% for tunnels constructed at depths of C/D = 1.5 and at both C/D = 2.5 and 3.5, respectively. The largest load redistribution between the front and rear piles in the group and the largest tilting of the pile cap towards the tunnel occurs when tunnel excavated at C/D = 2.5.     

分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究

西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,地铁隧道穿越地裂缝带时必须分段设特殊变形缝。以西安地铁隧道正交穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比1:5的大比例尺模型试验,研究分段设缝柔性接头隧道穿越地裂缝带的适应性。试验结果表明:地裂缝活动环境下隧道设置特殊变形缝的柔性接头避免了衬砌结构应力集中,对结构起到保护作用,分段柔性接头隧道具有较强的适应地裂缝大变形的能力。设置与地裂缝倾角一致的斜变形缝对围岩压力与位移有一定影响,而对衬砌结构安全性影响较小。正交条件下斜变形缝能消耗20%以上的地裂缝位移量,在地裂缝影响区隧道可通过多段设变形缝串联的方式最大限度地消除地裂缝大变形对隧道的影响。接头处顶底部止水带基本完好,而两侧止水带因地裂缝垂直位移作用出现撕裂现象,防水设计应重点考虑接头两侧壁的防水。研究结果可为地裂缝活动环境下地铁隧道结构与防水设计提供重要参考。     

敏感环境下深大基坑开挖实测分析及数值模拟

邻近已有地铁隧道的深大基坑的开挖是一项非常复杂的工程,开挖工程中如何能够安全地控制地铁隧道的变形尤其重要。对某邻近地铁区间隧道的深基坑施工进行全过程跟踪监测,及时反映不同工况下基坑围护结构变形、立柱回弹的变化特征;分析基坑施工对周边环境,特别是对邻近地铁隧道的影响,同时应用三维有限元分析手段,对地铁隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行弹塑性分析。分析结果与工程实测数据比较吻合,表明整体有限元方法可以较好地模拟此类工程问题,从而为实际工程的设计施工提供一定的理论和计算依据。     

长距离叠落盾构隧道施工对#br# 已成型隧道影响及控制措施研究

受隧道侧上方苏州桥的桥桩位置限制,北京地铁16号线万寿寺站～苏州桥站区间盾构隧道左右线呈叠落型式布置,叠落段长度为1km,隧道竖向间距1.6～4.0m,上层盾构隧道掘进将会对下层已成型隧道结构产生不利影响。针对不同的叠落段,建立了相应的计算模型,采用三维数值模拟方法分析了上层盾构隧道开挖对周围地层及下层已建成盾构隧道结构变形的影响规律,提出了下层隧道的保护措施,即：对隧道之间的土体进行注浆加固,并在上层隧道穿越下层隧道之前,对下层隧道采用型钢支撑进行加固,研发了型钢支撑结构体系及配套的安装台车。型钢支撑体系受力测试结果表明：对下层隧道结构的保护措施效果显著。     

土-岩复合地层盾构掘进对桥梁变形影响分析

依托深圳地铁11号线宝安—碧海湾区间盾构穿越桥梁桩基工程,采用FLAC3D有限差分软件研究土-岩复合地层盾构近距离掘进对桥梁桩基础、桥面的变形影响规律及影响范围,并与实测结果进行对比。结果表明:隧道施工对周围地层的影响可划分为塑性破坏区、弹性区和无影响区3个区域;盾构隧道掘进引起的桥面沉降较大,盾构对桥面变形的影响范围为盾构掘进面距桥面为-5D~4D;位于2条隧道之间的桥梁桩基受到2条隧道的影响,桩身竖向位移较大,且最大竖向位移位于桩顶;位于隧道侧方的桩基,盾构施工引起的X方向水平位移值较大,且施工对其影响范围也更大,具有一定的滞后性。     

基坑开挖对邻近地铁变形的影响分析

本文通过基坑开挖对邻近地铁隧道影响的原型案例分析,归纳基坑开挖引起邻近隧道沉降、水平位移及收敛变形的主要因素,研究结果表明:邻近隧道的基坑开挖对隧道的沉降和水平位移均产生较大的影响,隧道产生的变形在空间上表现为斜向坑底的位移;隧道横断面的收敛情况表现为,隧道呈现出横鸭蛋形。引起隧道变形的主要因素有基坑与隧道相对距离(水平距离和垂直距离)、开挖的时空效应等。其中基坑与隧道的相对距离对隧道的变形影响较大,当基坑与隧道的水平距离在4m以内时,隧道产生的水平位移、沉降均较大。     

基坑开挖对邻近隧道纵向位移影响的计算方法

基坑开挖卸荷会对邻近隧道产生影响,因此有必要对隧道的变形进行预测,确保隧道正常运行.针对目前计算模型的分析方法未考虑基坑壁应力卸荷对隧道位移的影响,以及有限元分析过程较为复杂繁琐,提出采用Mindlin解计算基坑壁与坑底卸荷的附加应力.然后将隧道结构视为弹性地基无限长梁,将开挖引起的附加应力施加于隧道结构上,建立隧道结构纵向变形方程,从而得到隧道位移及内力的计算公式.最后,将计算方法与数值模拟算例、工程实测进行对比分析,计算结果与其较为吻合.     

基坑开挖施工对邻近地铁影响的实测分析

对于运营地铁隧道邻近基坑施工必将导致地铁结构位移,对地铁隧道使用功能及结构安全产生影响.以上海地铁一号线邻近深基坑施工为工程背景,阐述了基坑施工对地铁隧道的工程风险控制措施,结合施工工况,对地铁结构变形及病害情况进行了分析,得出了隧道变形控制的若干结论.     

叠交隧道短期内二次穿越施工引起的变形分析

结合现场实测数据,对叠交隧道短期内二次穿越施工参数的设定、地面和先建隧道的变形规律进行了研究。结果表明:盾构在近距离上穿施工时,土仓压力、注浆压力及注浆量较常规段要大,推进速度的设定要综合考虑盾构机出土效率、注浆效果,并非越慢越好。本工程穿越施工时的设定值为40mm/min,现场实测发现变形符合设计要求。短期内二次穿越施工引起叠交区地面变形量值较常规段要大,本工程后建隧道上、下行线穿越施工引起叠交区域内最大竖向变形量分别为+7.4mm和-17.9mm,因此该区域是变形控制的重点。已建隧道的变形既包含自身的固结变形又包括后建隧道施工的扰动影响,实测变形为两者的综合,规律性不明显。     

软土地区紧邻地铁隧道深基坑支护设计与实践

以上海竹园2-16-1地块项目深基坑工程为背景,介绍了邻近地铁的软土深基坑变形控制方法及其效果。根据基坑工程的特点,设计时采取了多种地铁保护专项技术措施,包括基坑分区实施方案、支护体系、钢支撑轴力补偿系统、坑内被动区加固、承压水控制措施等。结果表明:基坑各分区地下连续墙最大侧向位移小于上海软土地区基坑地下连续墙最大侧移的统计平均值0.42%H(H为基坑最大开挖深度),特别是靠近地铁侧的地下连续墙最大侧向位移接近上海软土地区基坑地下墙最大侧移的统计下限值0.1%H; 地铁侧坑外承压水位总体保持在比较平稳的水平,最大水位变化仅为0.72 m; 邻近的地铁隧道上行线和下行线的累计最大沉降量分别为8.2 mm和5.1 mm,均小于地铁下沉量允许值(20 mm),且隧道曲率半径满足控制值要求; 本基坑采用的系统变形控制措施有效地保障了邻近地铁的安全,其设计和施工方法可以为软土地区同类基坑工程设计提供参考。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析

首次采用弹性层状半空间地基模型,建立了多层地基中隧道开挖对临近既有隧道影响的连续弹性分析方法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。首先,采用Laplace积分变换得到了直角坐标系下单层地基应力和位移的初始函数,在此基础上,运用矩阵递推技术,给出了竖向荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式并将其作为分析该问题的基本解。然后,采用弹性层状半空间地基模型将既有隧道视为Euler-Bernoulli梁,地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算,并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程,从而可以求得隧道纵向位移和内力。最后,结合离心模型试验和有限元数值模拟算例进行分析,验证了本文方法的有效性。此外,为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,还对几种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。成果可为合理制定地下工程施工对临近既有隧道的保护措施提供一定的依据。     

邻近地铁隧道的深基坑变形控制分析

结合具体工程实例,利用有限元分析方法对邻近地铁隧道的基坑围护变形控制要求进行研究。分析结果表明:针对不同的围护结构变形控制标准,地铁隧道结构的位移量亦随之发生变化。当围护结构位移值达到40mm时,隧道结构的位移将达到甚至超过地铁隧道的变形控制限值;当围护结构的变形值达到20mm时,隧道结构的位移相对较小,可更为有效地保护隧道结构的安全。