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。     

地表堆载作用下盾构隧道纵向受力机制试验研究

通过开展室内模型试验,探究地表堆载诱发下盾构隧道纵向受力变形特性。应用3D打印技术制作的盾构隧道模型,可以较好地反映真实盾构隧道管片结构特点,克服精细化盾构隧道模型制作困难的问题。首先通过开展盾构隧道模型集中荷载试验,探究盾构隧道纵向等效抗弯刚度变化规律;其次开展地表堆载试验,研究地表堆载诱发下盾构隧道受力与变形特征。试验结果表明：盾构隧道纵向等效抗弯刚度有效率并非一个常量,而是随着集中荷载增大而减小,本试验得到其值在0.176～0.044范围;在地表堆载诱发下,盾构隧道拱顶沉降呈正态分布曲线形态,主要沉降范围在加载宽度范围内;地表堆载作用下拱顶土压力分布变化特点与拱顶沉降相似;随着地表荷载增加,通过隧道中间环四周土压力监测发现,拱顶土压力增量最大,拱底次之,拱腰最小;受地表荷载作用,盾构隧道衬砌结构发生“横鸭蛋”状收敛变形,其中拱顶位移最大,拱腰次之,拱底最小。试验结果揭示了盾构隧道结构变形特性和地表堆载条件下盾构隧道与地层相互作用机制,对突发堆载下既有隧道的保护提供了参考依据。     

软土灰岩复合地层盾构隧道施工地表沉降规律研究

以广州地铁8号线北延伸段石井站—亭岗站区间隧道施工为背景,基于现场实测数据,对上部软土下部灰岩复合地层地表横向沉降和隧道轴线上方地表纵向沉降随盾构开挖的变化规律进行了探究。对比了横向与纵向沉降预测公式与实际监测值,分析了沉降量值与沉降范围的控制因素。结果表明:除了施工因素影响外,该类复合地层中盾构隧道施工引起的地表横向沉降与修正Peck公式基本吻合,最大沉降量值受地层体积损失率影响,主要沉降影响范围的控制因素有隧道埋深、双线隧道间距、隧道穿越层的性质;纵向沉降发展规律与Sagaseta公式基本吻合,沉降快速发展区范围控制因素有隧道埋深、纵向地层不均匀性。     

双圆盾构隧道土体地表沉降特性

介绍了双圆盾构隧道这种新型隧道形式,与圆形盾构隧道相比,双圆盾构隧道具有占用地下空间小、施工效率高、掘削土量少等优点,但双圆盾构隧道引起的土体位移相对较大,影响范围也比较广。基于双圆盾构隧道的施工特点,通过计算圆形盾构的土体地表沉降,运用土体位移叠加法,研究了双圆盾构隧道引起的土体地表沉降的特性,建立了双圆盾构隧道直径、埋深和地层损失等因素与土体地表沉降的关系。结果表明:双圆盾构隧道的地表沉降槽的形态与圆形盾构隧道相似;双圆盾构隧道的地表沉降量大,影响范围广;双圆盾构隧道的地表沉降与埋深和直径之比有关。     

南京典型地层盾构隧道地表沉降分析

以江苏省南京市宁和城际TA03标段铁—春盾构区间隧道为例,结合现场实测地表沉降数据,对南京典型地层下盾构施工引起的地表沉降规律进行了分析。结果表明,地表沉降受地层稳定性影响较大,硬质地层占比越高,地层稳定性越好,盾构施工产生的地表沉降值越小;地层稳定性越高,纵向地表由隆起变形转为沉降变形的速度越慢。     

基于地层损失的盾构沉降计算方法研究进展

近年来,越来越多的盾构隧道要穿越建筑密集区、重点建筑保护区和沉降敏感区,地面沉降的科学预测和合理控制成为亟待解决的问题。盾构法隧道施工诱发地面沉降的影响因素较多,但主要因素可归结为地层损失引起的地表移动。基于现有地层损失概念,按照经验-数学法和物理力学法体系论述了国内外盾构推进诱发地面沉降的研究进展,分析了现有研究方法的不足之处,对地层损失概念进行了重新界定,建立了基于沉降预测-施工控制的地层损失概念模型,提出了基于"地面沉降-地层损失-施工参数"联系通道的地面沉降控制流程。     

盾构穿越不同地层的地表沉降规律及预测研究

城市盾构隧道穿越不同地层时的地表沉降规律的预测和研究对隧道影响范围以及周边环境影响区域的确定有着显著作用。文章以南京某地铁线路为背景，收集并整理分析了该地铁线路盾构施工全过程的地表沉降实测数据，结合地层分布规律选取了3种盾构穿越的主要地层（分别为软塑状态粉质黏土地层、硬塑状态粉质黏土地层以及砂土地层）作为分析对象进行统计，分析了盾构隧道穿越不同地层下纵向和横向沉降规律，并提出了适用于南京地区的修正Peck公式。研究结果表明：（1）纵向地表变形变化规律基本呈线性，盾构通过后距离隧道断面直径4D～6D范围内，地表沉降急剧发展，后趋于稳定；（2）横向沉降曲线基本符合正态曲线，并在此基础上提出了南京地区的修正Peck公式；（3）通过已有实测数据对文章提出的修正Peck公式进行了验证，检验了文章提出公式的适用性。相关研究成果对南京地区的盾构隧道设计及施工有一定实际意义。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

软土地区盾构隧道地表沉降数值模拟研究

结合京津城际延伸线解放路隧道工程实例,采用数值模拟和现场监测相结合方法,对软土地区盾构开挖对软黏土地层扰动的变化规律和盾构隧道地表沉降进行了研究。结果表明,地表沉降槽近似正态分布曲线。同时将数值计算所得盾构掘进过程中土体横、纵向地表沉降曲线与监测纵断面沉降曲线进行对比,证明了数值模拟技术在计算地表沉降中可行性,了解了实际施工过程中影响地表沉降因素,对指导天津地区盾构隧道的设计施工,以及安全防护都具有重要的意义。     

管隧平行下盾构隧道与管线的模型试验研究

针对地下管线和盾构隧道平行工况,设计了一种模拟盾构隧道施工引起地层损失的模型试验,据此研究了在盾构隧道施工过程中地表沉降的变化规律及地下管线的力学行为变化,为盾构隧道施工提供了依据。     

盾构掘进地面沉降虚拟镜像算法

盾构掘进所致地面沉降的准确预估,对于邻近建（构）筑物的保护至关重要。假定土体为均质各向同性半无限空间不可压缩弹性体,基于虚拟镜像技术,推导了在隧道边界土层不同收敛模式下的地面沉降计算公式,计算结果比数值积分算法更接近实测。由于实际土体具有各向异性、成层性和可压缩性,本文算法与数值积分算法均高估了横向地面沉降槽宽度。引入沉降槽宽度修正参数对理论公式进行修正,修正算法计算结果更符合实际,可简单可靠地估算盾构隧道施工地层损失引起的地面沉降。     

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。     

不同直径盾构隧道地层损失率的对比研究

地层损失率是引起地面沉降最主要的因素之一。因此,收集了国内盾构隧道地面最大沉降实测数据,利用Peck公式反推得到地层损失率的取值,研究大直径(D10m)与中小直径盾构隧道地层损失率的分布规律及主要影响因素。结果表明:(1)中小直径、大直径盾构隧道施工引起的地层损失率分别有93.19%在0%～2.0%、近70%在0%～0.5%之间,大直径盾构隧道施工引起的地层损失率数值更小,分布更集中;(2)中小直径、大直径盾构隧道引起的地层损失率分别随着地层条件变好、地层渗透性的变小而减小;(3)两种直径盾构隧道的地面最大沉降与地层损失率均具有一定的线性相关性;(4)隧道覆土深度比与地层损失率的相关性较弱;(5)中小直径盾构隧道引起的地层损失率随着地层黏聚力、内摩擦角以及弹性模量的增大而逐渐减小。研究成果可为今后相关地区类似隧道工程施工诱发的地面沉降预测和施工控制提供科学参考。     

圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿房屋沉降控制技术研究

圆砾泥岩复合地层中盾构微扰动施工控制是岩土工程实践中面临的难题。南宁地铁1号线盾构下穿友爱居民小组面临圆砾与泥岩复合地层的挑战,首先对泥水盾构泥浆性能指标进行优化,采用现场试验确定了富水圆砾地层袖阀管注浆加固浆液配合比;利用自动化监测系统对盾构下穿房屋的沉降进行实时监控,并借助及时通讯工具实现穿越施工中信息化施工;定义圆砾泥岩复合地层盾构开挖面内泥岩高度与盾构机刀盘直径的比值为复合比λ,分析掘进参数平均值随λ的变化规律。通过现场实测结果表明:袖阀管注浆能够有效的控制建筑物沉降,自动化监测能够实时反映盾构推进导致房屋变形,为施工反馈控制提供依据,泥水盾构在圆砾泥岩复合地层中会遇到开挖仓压力波动过大,刀盘扭矩、推力增大,贯入度降低等现象。当λ≤0.15上述现象基本不发生;当0.15≤λ0.6时,参数平均值波动最剧烈,对沉降控制十分不利;当λ≥0.6时,扭矩和总推力进一步增大,但开挖仓压力波动情况稍弱而贯入度会进一步降低。要以盾构开挖仓压力控制为指标而非追求推进速度,提高转速、降低泥浆黏度是减少参数波动的有效手段。     

Effects of twin tunnels construction beneath existing shield-driven twin tunnels

This paper presents a case of closely spaced twin tunnels excavated beneath other closely spaced existing twin tunnels in Beijing, China. The existing twin tunnels were previously built by the shield method while the new twin tunnels were excavated by the shallow tunnelling method. The settlements of the existing tunnels and the ground surfaces associated with the new tunnels construction were systematically monitored. A superposition method is adopted to describe the settlement profiles of both the existing tunnels and the ground surfaces under the influence of the new twin tunnels construction below. A satisfactory match between the proposed fitting curves and the measured settlement data of both the existing tunnels and the ground surfaces is obtained. As shown in a particular monitoring cross-section, the settlement profile shapes for the existing tunnel and the ground surface are different. The settlement profile of the existing structure displays a “W” shape while the ground surface settlement profile displays a “U” shape. It is also found that due to the flexibility of the segmental lining, the ground losses obtained from the existing tunnel level and the ground surface level in the same monitoring cross-section are nearly the same.     

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。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

盾构隧道下穿老旧建筑物群微沉降控制技术研究

中心城区盾构隧道下穿老旧建筑物的沉降控制是盾构施工的焦点问题。通常沉降控制方法是通过地表沉降监测数据,决定是否进行二次注浆,但地表及建筑物变形早已发生。为了弥补传统方法沉降处置滞后的不足,提出了"微沉降"施工控制技术,开发了壁后注浆雷达实时检测系统与自动化监测预警平台,在地表沉降发生之前及时注浆填充地层损失的空隙,防止地表沉降,保证老旧建筑物安全。济南轨道交通R3线王—裴区间隧道下穿越的老旧建筑物群,建造时间多为20世纪70—80年代,部分墙体风化严重,大大增加了地表沉降控制、建筑物保护难度。首先,利用三维有限元软件,对隧道下穿苏宁大楼和农业银行进行三维数值模拟,认为适当增加注浆压力可以有效减小地表沉降值,模拟结果与监测数据较为吻合。其次,为了掌握壁后注浆质量,控制隧道下穿化肥厂宿舍楼时的地表变形,开发了壁后注浆雷达实时检测技术,在衬砌拼装间隙检测注浆质量,动态调整注浆压力及注浆量,有效控制了地表沉降。同时,项目采用自动化监测和人工监测联合的监测方案,实时监测建筑及地表变形,并通过移动端手机应用实时掌握变形情况,可及时采取措施。利用雷达实时检测结果与地表监测结果,地上地下联动,地表沉降被控制在5 mm之内,最终基本实现了"微沉降"的目标,建筑物得到了良好的保护。     

建筑物对盾构隧道施工引起地面沉降模式的影响

本文以盾构隧道施工引起的地面沉降为对象,研究邻近地表建筑物的存在对其发生发展的影响。以具体工程为依托,以实际工程监测和数据分析为主要手段,研究得出：在有邻近地表建筑物存在时,地表沉降曲线形状与无建筑物存在时相似,均符合高斯曲线的形式;区别在于有建筑物存在时,地表沉降曲线的峰值要比无建筑物存在时小,曲线的反弯点离隧道轴线的距离要比无建筑物存在时远;说明了地表建筑物的存在以及建筑物基础与地基相互作用提高了盾构隧道穿越地基土层的刚度,对盾构隧道引起的地表沉降有控制作用。在盾构隧道施工及监测的过程中,可依据该特点合理布设有无地表建筑物存在情况下的监测测点,并对盾构隧道引起的建筑物及地标开裂现象做出合理的预测。     

复杂环境下地铁隧道盾构施工诱发地表土体变形的智能预测

在复杂地质环境下,地铁盾构施工参数会有较大不同,使得施工过程中的地表沉降难以控制。常规的监测手段具有滞后性,难以应对突发情况。基于此,本文提出基于BP神经网络地铁隧道盾构施工诱发地表土体变形智能预测模型,通过与杭富城际铁路11标段盾构施工时的地表沉降、右线沉降和左线沉降的实测数据对比发现,BP神经网络能够准确预测复杂环境下盾构施工引起的沉降。