盾构隧道施工过程建模影响因素分析

为研究盾构隧道施工过程建模影响因素及其影响程度,首先,综合隧道开挖过程中盾构机前体与岩土体影响因素耦合作用分析,构建盾构隧道开挖过程仿真模型,给出地表沉降和隧道垂向应力;然后,进一步模拟去除其中一种因素的隧道开挖过程,求出相应的地表沉降和隧道垂向应力;最后,基于傅里叶变换对各种情况下地表沉降量和应力应变状况进行比较分析,找出各因素对建模的影响程度。结果表明:一方面,建模过程中各种因素对地表沉降的影响大于对隧道垂向压力影响;另一方面,盾构机推进给开挖面土体压力、盾尾灌浆延迟管片拼装造成的暂时性土体支撑力不足、盾构机刀盘转动给开挖面土体扭力等因素对模型解算造成的影响最大。本研究对提高盾构隧道施工过程建模的准确性和实效性,指导盾构隧道施工具有重要指导作用。     

盾构隧道在施工中的沉降分析

在概括总结当前国内外盾构隧道在施工中的沉降的研究现状以及讨论各种计算方法特点的基础上,本文采用FLAC3D数值分析软件对粉土和砂土层中盾构隧道开挖的过程进行了模拟,讨论了开挖过程中周围土层中的应力和变形的变化规律;并和现有的理论计算公式相结合,探讨隧道开挖过程中地面沉降的影响宽度和最大沉降量的计算方法。最后分析总结了在不同土质下盾构隧道开挖所引起的沉降差异,为郑州市地铁隧道的设计施工提供沉降预测的参考。     

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。     

可液化地层中盾构施工诱发振动影响的数值模拟研究

以太原市地铁2号线人民南路站～化章街站区间可液化地层盾构施工过程中遇到地表沉降超限问题为例，采用FLAC^3D有限差分软件，进行盾构隧道施工过程模拟，在开挖面水平方向模拟盾构施工振动的正弦速度边界，进行动力响应分析，分析孔压比、超静孔隙水压力、加速度时程曲线。分析结果表明：盾构机掘进太原市复合地层在隧道上覆黏质粉土及粉细砂层中形成一定液化区域，上覆土层中开挖面前方液化区域面积明显大于开挖面后方液化面积；盾构隧道轴线对应地表沉降最大值达60mm,与现场实测值相同，最大沉降发生在开挖面前方1m处；超静孔隙水压力在液化土层中形成一旋涡区，漩涡中心靠近液化层底部，位于开挖面前方，超静孔隙水压力在漩涡区中心最大，向四周扩散逐渐减小。本文的研究成果对盾构在可液化地层中的施工有一定参考价值。     

超大型土压平衡盾构穿越砂性地层施工技术研究

用砂土液化的观点研究盾构穿越饱和砂质粉土引起的地表沉降机理进而用于解决实际工程问题。以迎宾三路超大型土压平衡盾构隧道为工程背景,在室内试验、现场试验和工程实践的基础上,提出并证明了超大型土压平衡盾构穿越砂性土层会引起砂土液化的观点,且针对性地采取了相应的工程措施,解决了超大型土压平衡盾构穿越砂性土层中遇到的开挖面失稳、注浆量失准、地表沉降失控的工程难题。     

土压平衡模型盾构掘进试验研究

土压平衡盾构掘进是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一,然而,它在不同的土层中的适应性是不一样的。为研究土压平衡盾构机的盾构施工参数以及刀盘开口率对土层的适应性,在新建立的大型盾构模拟试验平台上,利用直径为1.8m的土压平衡模型盾构机在软土、砂土、砂砾土层中进行了盾构掘进模拟试验。试验平台的监测系统实时采集了盾构推进过程中的各种工作参数,通过分析试验数据,本文尝试对盾构掘进过程中土舱内外土压力的相关关系、刀盘扭矩和推力的变化及其影响因素进行了试验研究,还研究了不同刀盘开口率对盾构总推力和刀盘扭矩的影响规律,研究结果对土压平衡盾构机的设计和施工具有参考意义。     

复杂地层隧道位移与应力变化规律研究

盾构隧道在不同地层中开挖,会改变其地表沉降规律。文章结合杭州地铁6号线穿复杂地层的工程实例,采用Flac3D软件进行数值模拟,研究盾构隧道穿越不同土层分布情况下的施工力学特性,对地表及管片位移、管片应力的变化规律进行分析,研究结果表明,盾构地表沉降符合peck沉降曲线规律,实际值比模拟值小12%。盾构在粘土层中地表沉降值比粉砂层大,盾构穿越观测面后18m范围内受扰动影响明显,开挖距离超过30m沉降趋于稳定。     

盾构平衡压力理论计算与应用技术

为了确保盾构穿越附近地表及建(构)筑物的安全,无论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构开挖面平衡压力的准确选取十分重要。对现今常用的周边圆弧形刀盘开挖面进行分析,通过开挖面几何尺寸理论计算准确推导出圆弧形刀盘开挖面原状土体无变形的各个点平衡压力计算公式。依据平衡压力计算和穿越不同地层、不同危险源提出周边圆弧形刀盘盾构土舱压力选取原则:在软弱地层、穿越重大危险源地段要严格按照平衡压力保压掘进,盾构土舱压力选取介于盾构上覆水土自重应力与静止侧向水土压力之间;在地层有一定成拱效应并且无重大危险源地段,根据地表沉降监测情况可适当降低平衡压力,盾构土舱压力选取介于地层水土自重应力与最小极限平衡压力之间,让地层土拱效应起作用,降低刀盘、刀具等的磨损。对于前大后小盾体的盾构机提出盾构在穿越软弱地层或重大危险源地段在盾体周围以平衡压力注入一定量的粘土,可有效降低盾体上方地表的沉降。对土压平衡和泥水平衡盾构施工有一定的指导作用。     

盾构下穿机场跑道的数值模拟研究

以上海地铁10号线空港一路-虹桥机场东站区间隧道工程为背景,结合现场检测数据及各项掘进参数,采用有限元分析软件建立了有限元模型。对盾构隧道下穿机场跑道施工过程进行数值分析,通过与实测结果的对比验证了模型的有效性。在此基础上对无飞机冲击荷载影响下的隧道开挖过程进行计算,得出了开挖过程中跑道及下部土层的沉降变化规律,并比较分析了跑道结构的存在对地表变形的影响。结果分析表明跑道结构的存在减少了开挖引起的地表沉降,同时分析了隧道开挖影响下机场跑道结构受力的最不利部位,为盾构实施穿越提供了重要依据。     

盾构施工对地表砌体建筑沉降的影响

通过对地铁隧道顶部地面砌体建筑和地表沉降量现场的实测和三维模型数值计算,研究了一次开挖步长为6m的砌体建筑和地表沉降量的实测值和数值模拟计算值变化规律及一次开挖步长为12m的砌体建筑和地表沉降量变化规律,得出了盾构施工开挖步长对砌体建筑和地表沉降量和局部沉降差有很大影响的结论。盾构机在地铁隧道上部地表有砌体建筑时,要根据工程地质条件和地表建筑类型,合理确定盾构的开挖步长。     

黄土地层盾构隧道施工的掘进试验研究

 黄土是一种典型的非饱和结构性土,其强度与土体结构特征密切相关。黄土地层中盾构法隧道施工开挖面稳定性受施工参数影响较大,控制不当容易造成开挖面土体松动或坍塌,严重影响隧道结构安全及周围环境。针对我国首次在黄土地层中修建的地铁盾构隧道西安地铁2号线,采用自主研制的土压平衡式模型盾构机开展室内掘进实验,研究黄土地层条件下盾构掘进对地层的扰动情况以及盾构施工关键参数的匹配问题。研究结果表明,黄土地层中盾构掘进引起的地层横断面沉降曲线与黏性土地层存在差异,曲线形式具体表现为下部呈深V型、上部区域呈缓和的盆状,并得到地层损失率K和地表沉降槽宽度系数i;地表位移时程曲线具有突变性,存在明显的三阶段特点;盾构顶推力的变化直接影响隔舱土压力的变化,掘进过程中隔舱土压力和出土率表现出一定的随机性,出土率有随顶推力的增大而呈减小的趋势,并与推进速度成反比。     

盾构隧道开挖及补偿注浆对地层扰动影响的室内试验及数值模拟研究

针对盾构法施工过程中产生的土体损失,补偿注浆是一种应用广泛的沉降控制措施。通过模型试验及数值模拟,研究了盾构隧道开挖及补偿注浆对周围土体的扰动影响。将开挖和补偿注浆连续考虑,重点研究了既有土体损失情况下补偿注浆对地表沉降和周围土体应力的影响规律,研究结果表明,盾构隧道开挖过程中,地表沉降可以用Peck公式有效预测,且沉降最大值与土体损失率呈线性关系,隧道周围土体按照应力变化情况分为正拱区、卸荷区、塑性区。补偿注浆过程中,土体按应力变化情况分为抬升挤压区和正拱补偿区。应用小应变本构模型(HSS)进行数值模拟,模拟结果与试验规律对应良好,进一步验证了模型试验揭示的隧道开挖和补偿注浆对土体的扰动机理。     

越江大直径泥水盾构地面沉降数值模拟研究

结合武汉市轨道交通12号线越江隧道的工程实际情况,运用大型有限元软件ABAQUS建立三维计算模型并进行数值模拟实验,得出分步开挖下的地表横向截面沉降结果,再与隧道开挖过程中实际监测沉降数据进行对比发现盾构隧道开挖边线范围内沉降最多,而一次开挖成功模型得出的地表沉降相对实际监测结果差别较大,分步开挖计算模型更符合实际地表沉降情况,能较准确地反应现场地表沉降结果。     

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。     

土质对盾构隧道下穿道路沉降影响的分析

为研究不同土质条件对盾构隧道下穿既有道路沉降的影响,文中基于长春市城市轨道交通2号线盾构隧道穿越的实际地层,运用Midas GTS NX软件,分析不同土质条件下盾构隧道的施工对道路沉降的影响。结果表明在盾构隧道掘进过程中,道路路面横向沉降曲线呈现凹槽形状,其中最大沉降值位于隧道中心线正上方;盾构隧道开挖过程中,距隧道中心线2.5D范围内的路面受影响较大;盾构隧道上覆土层土质条件改变对路面沉降的影响较弱,而穿越土层土质条件发生改变对地表沉降影响较大。相对于粉质黏土,隧道在强风化泥岩中进行盾构开挖对地面沉降影响较小。研究成果可为盾构隧道施工对既有路面沉降的监测防治等提供参考与指导。     

砂质粉土层类矩形隧道顶管法施工引起的地表沉降

类矩形隧道引起的地表沉降是地下工程的一个重要关注点.目前,大多数学者研究在黏土中建造类矩形隧道的地表沉降,但在砂质粉土中开挖的类矩形隧道沉降却很少受到关注.因此,以杭州轨道交通L9一期工程为例,研究在砂质粉土层中采用顶管法建造类矩形隧道时的地表沉降规律.工程采用EPB顶管-盾构双模掘进机施工,通过对施工过程中的地表沉降...     

青岛复合地层双洞隧道开挖变形规律

双线隧道开挖不同于单线隧道,为研究复合地层地铁双洞隧道开挖施工引起的地表沉降规律,文中基于青岛地铁四号线静沙区间的相关数据,通过数值模拟对双洞隧道上覆土层的不同组合施工沉降变形规律进行研究。分析结果表明,隧道上覆土层中砂土与黏土层厚度的变化,对双线隧道开挖地表沉降最大值、地表沉降和围岩的应力状态的影响较小,变化幅度也影响较小,即不同的上覆土层条件下,对双线隧道开挖地表沉降规律的影响相对较小。     

土压平衡盾构在复杂地质中的应用与工艺改进

常规的土压平衡盾构机在软土地质、含较大块石土层及软硬土复合层等复杂地质中掘进时,常面临盾构机刀盘扭矩增大、螺旋机堵塞等诸多技术问题。结合田湾核电站3#、4#机组厂区排水隧洞工程,通过对土压平衡盾构机及盾构施工技术进行改进,形成一套施工工艺,为今后复杂地质条件下的隧道工程提供技术支撑。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

土压平衡式盾构施工要点及质量通病的分析防治

在隧道施工中土压平衡式盾构可适应各种软弱地层,并能有效地保持开挖面的稳定及减少地面的沉降,施工的安全性和可操作性高。土压平衡式盾构机利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘,将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内,并使舱内具有适当的压力与开挖面水土压力平衡,以减少盾构推进对土体的扰动,从而控制地表的沉降,在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。由于其能较好地控制地表沉降,利于环境保护,适应在市区和建筑密集处的施工,在全国地铁建设中得到了广泛应用,目前已有较为成熟的施工技术和经验,可…