地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响.从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理论并运用Laplace变换技术,提出了地表堆载作用下盾构隧道开挖引起的周围土体位移和应力的时域解.依...     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

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。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

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。     

软土层中类矩形盾构掘进施工引起地层竖向变形实测与分析

 类矩形盾构断面形状、机械配置与圆形盾构的差异必然引起地层变形规律有所不同,以国内首例软土层中类矩形盾构地铁隧道工程为背景,依据现场实测地表变形、土体分层沉降数据,分析类矩形盾构隧道施工引起地层竖向变形的基本规律,并结合变形机制对施工控制提出建议。结果表明：类矩形盾构施工引起地表沉降最大值约50 mm,开挖面前方影响范围约20 m;地表竖向位移随时间发展呈现出缓慢沉降(隆起)、急剧隆起、快速沉降、平稳沉降4个阶段,沉降主要发生在盾构通过后,由软土地层受扰动后固结引起。地层竖向变形主要受土仓压力、盾尾注浆、盾构姿态等因素的影响,其中,盾构掘进姿态控制是盾构两侧土体竖向位移方向相反的主要原因,盾构姿态对周围地层变形影响比单圆盾构更显著。     

带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

双线隧道不同布置方式下相互作用影响的地层位移解析

双线隧道开挖引起地层变形的既有理论研究,一般基于单线隧道计算结果直接采用线性叠加进行分析,而忽略了双线隧道之间的相互作用影响。为研究近距离地下工程开挖的相互影响,基于位移控制Schwarz交替法和复变函数理论,结合隧道洞周椭圆化收敛变形边界条件,提出了任意布置方式下双线盾构隧道开挖引起周围地层变形的计算方法。该方法以位移控制边界条件进行求解,体现了双线隧道开挖间的相互作用影响。通过离心试验和工程实例,将基于位移控制Schwarz交替法的复变函数理论解与线性叠加法解答以及实测数据进行了对比验证;针对双线隧道水平和斜交两种不同布置方式进行相关参数分析,获取了双线隧道间距变化引起的地层变形影响规律。结果表明:基于位移控制Schwarz交替法的复变函数方法求解得到的地表沉降曲线与实测值吻合较好,而直接线性叠加法解答存在较大误差。在地层等值线图规律分析中,水平与斜交布置下,两个隧道周围土体等值线图产生较为明显的相互"吸引"现象,隧道上方的土体沉降峰值线均向双线隧道中间倾斜,但随着双线隧道间距增加,"吸引"现象逐渐减弱。研究成果对于近距离双线盾构隧道开挖施工的现场保护措施制定提供一定的理论依据。     

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。     

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。     

盾构法隧道施工引起的土体变形预测

 理论分析表明,不同土质条件下盾构法隧道施工引起的土体移动模型有区别。基于盾构法隧道统一土体移动模型,假定土体不排水,采用N. Loganathan等提出的研究方法,通过对Verriujt计算公式进行修正,推导得到盾构施工过程中由于土体损失引起的土体变形二维解,该方法适用于施工阶段。算例分析表明：所给出方法的计算结果与实测值较吻合,适用于从流塑～坚硬状态的所有黏性土。Loganathan公式只适用于流塑状态的黏性土,当土质较硬时,计算所得到的土体沉降要比实测值小;盾构施工引起的隧道上方土体沉降从地面向下呈非线性增大,在隧道顶部达到最大,离隧道越近,增长越快;隧道周围土体产生向隧道侧的水平位移,从地面向下逐渐增大,在略高于隧道轴线附近达到最大值,再逐渐减小直到0。离隧道越近,土体水平位移越大。     

Soil deformation induced by Double-O-Tube shield tunneling with rolling based on stochastic medium theory

The prediction of soil deformation during tunneling is very difficult for Double-O-Tube (DOT) shield tunnel construction, especially for the shield rolling. According to the characteristics of DOT shield tunneling and rolling, a calculation model of soil deformation due to tunneling-induced ground loss was established. Based on the stochastic medium theory, the theoretical solutions of soil deformations considering the rolling of DOT shield machine were derived by polar coordinate transformation and multi-subdomain integral method. The predicted surface settlement from the proposed solution is better agreement with the observed data than those obtained by the two previous methods (namely the equivalent excavated-area method (EAM) and the simple superstition method (SM)). In addition, only ground surface settlement can be estimated under no rolling of DOT shield machine using the two previous methods, while this proposed solution owns great progress in solving the subsoil deformation and the influences of rolling. In order to further study the influence of DOT shield rolling angle on soil deformation under different engineering conditions, the parameter sensitivity analyses regarding the tunnel depth h, the ground loss parameter ɛ and the influence zone angle β₀ were extensionally discussed.     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

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。     

软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律

 在城市环境中,如何预测和控制盾构掘进引起的地层移动以保证地下既有构筑物的安全,是设计和施工亟待解决的技术问题。以上海某盾构隧道施工段为工程背景,应用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究盾构掘进施工引起周围地层位移场的分布规律。研究结果表明：盾构掘进对周围地层位移场的影响主要分为接近、穿越和远离测孔3个阶段。在盾构掘进接近和穿越阶段,隧道侧向土体以隆起、沿盾构掘进方向向前和向隧道外侧的位移为主;在远离阶段,侧向土体则发生沉降、向前和向隧道内的三维运动趋势。由于该工程隧道埋深大,隧道中心上方土体主要发生沉降和向前的位移趋势。根据数值计算所得隧道上方不同深度土层的横向沉降槽曲线,建立用于预测隧道上方深层土体沉降的修正Peck公式,计算结果与数值结果吻合较好。     

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。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。