基于虚拟力法的盾构隧道施工扰动地层附加应力分析

目前针对盾构隧道掘进引起周围地层附加应力的研究较少,且既有成果一般均假定施工场地为均质土体。基于层状地基基本解,结合虚拟力法,建立了考虑分层效应的盾构隧道施工扰动地层附加应力的分析方法,重点研究了盾构施工正面附加推力、盾构与土体间掘进摩擦力引起的地层附加应力。结合上海典型分层地基工程实例,分析了盾构施工引起的附加应力分布规律,且与均质土体工况下的计算结果进行了对比研究,考察了地基分层效应对扰动地层应力场的影响。计算结果表明：盾构与土体间掘进摩擦力与正面附加推力引起的土体附加应力分布规律较为相似,靠近开挖面时附加应力衰减较快且影响范围一般较小,而远离开挖面时应力衰减明显变慢,在实际工程中要重视掘进摩擦力和正面附加推力造成的施工风险;此外,考虑分层效应与常规不考虑分层效应时的附加应力场有较大差别,在设计中应重视地基非均质性带来的影响。成果可为合理制定层状地基中盾构隧道施工对临近管道以及建筑物的保护措施提供一定的理论依据。     

类矩形盾构隧道施工对邻近桩基附加荷载的研究

类矩形盾构在施工过程中会产生附加应力,根据"源汇法"理论,推导附加应力公式,修正了在土体损失和附加注浆压力作用下的土体附加应力公式。通过算例研究了邻近桩基附加荷载的分布规律。算例分析结果表明,开挖面前方桩基在类矩形盾构的掘进过程中受到挤压力作用,在盾构推进过程中,附加拉压应力的极值出现在轴线埋深处;在类矩形盾构推进过程中,其产生的正面附加推力对土体产生的荷载关于隧道轴线对称;桩基所受的最大附加荷载与离开挖面距离成反比,且衰减幅度减小,曲率变缓。     

类矩形盾构施工引起地下管线的附加荷载研究

对类矩形盾构施工引起的垂直交叉地下管线的附加荷载规律进行研究。考虑附加注浆压力和土体损失的作用,对类矩形盾构隧道施工引起的土体附加应力公式进行了修正;通过算例研究了地下管线附加荷载的分布规律,分析了管线埋深的影响。算例分析结果表明:类矩形盾构施工过程中,在x、y方向上产生的地下管线附加荷载中,盾壳摩擦力和附加注浆压力影响较大,正面附加推力的影响较小;在z方向上附加荷载主要由土体损失决定;附加荷载最大值出现在隧道轴线及其附近位置;管线埋深对x、y方向上的附加荷载影响较大,对z方向上的附加荷载影响较小。     

既有上部建筑荷载下盾构施工引起土体附加应力分析

为考虑既有建筑下盾构施工对土体附加应力的影响,将建筑荷载按照土的有效重度等效为一定厚度的覆盖土层。基于弹性力学Mindlin解,给出既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘正面推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解;同时推导既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解。结合具体的计算案例,分析刀盘正面推力、盾壳摩擦力和刀盘摩擦力引起的土体附加应力的分布规律和对周围环境的影响;同时,针对不同上部建筑荷载对刀盘正面推力以及盾壳摩擦力引起的土体附加应力的大小和分布规律的影响进行分析。结果表明:既有上部建筑荷载下盾构施工引起周围土体的附加应力受刀盘正面推力、盾壳摩擦力的影响很大,为主要影响因素,具有一定程度的扩散性,其中沿推进方向的附加应力分量较为明显;而刀盘摩擦力对周围土体附加应力的影响较小,但具有一定程度的波动性,附加应力关于轴线近似成反对称分布。其中,刀盘正面刀具与土体之间的摩擦力引起的周围土体附加应力的波动效果尤为显著。不同建筑荷载对盾壳摩擦力引起的附加应力xσ和yσ的影响幅度和影响规律较为明显;其中xσ受建筑荷载影响的效果最为显著。该研究对指导盾构地铁隧道的设计和施工有着基础性的意义。     

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。     

小净距平行盾构隧道施工先行隧道管片附加应力监测研究

通过现场监测,研究揭示小净距平行盾构隧道施工中后行隧道掘进引起的先行隧道管片附加应力的变化规律.介绍了管片附加应力测点布置及监测方法,分析给出了管片附加应力动态变化规律,研究了附加应力与后行隧道掘进距离的关系,对管片附加应力的最大值和稳定值进行了统计分析.监测结果表明,当后行隧道掘进到监测断面附近时,附加应力有突变量,水平直径处环向受到压力作用,环向应力的量值比纵向应力大.以期能为评价小净距盾构隧道施工相互影响程度及该类盾构隧道设计,施工提供参考依据.     

盾构隧道正面推力对邻近桩基影响分析

基于弹性力学Mindlin解推导出盾构掘进面压力引起的周围土体附加应力分布方程,然后结合Winlder弹性地基梁模型,得到由正面推力引起的桩体附加弯矩和剪力方程,并以南昌地铁2号线过江隧道工程为例,求解并讨论分析了附加应力分布规律,同时与有限元程序MIDAS的三维计算结果进行了比对。通过分析可知:盾构隧道正面推力引起的土体附加应力在一定范围内具有扩散性,附加应力对桩基的影响相较于土体损失影响较小,在盾构掘进对邻近桩基的影响中土体损失占主导地位。     

土压平衡盾构土舱压力建立机制及设定准则研究

 土压平衡盾构掘进施工中,土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。结合超大直径土压平衡盾构施工的上海市迎宾三路隧道工程,利用理论分析和实测数据分析的方法对土压平衡盾构的土舱压力建立机制和设定准则进行研究。基于进出土平衡理念研究土舱压力建立过程中各施工参数间的关系,提出开挖面土体挤压量这一概念以揭示土舱压力的建立机制。建立盾构刀盘的细化模型,分析刀盘挤压作用下盾构开挖面上土体的挤压情况。基于控制开挖面土体不发生二次扰动的理念,提出土压平衡盾构土舱压力的设定准则,并对该土舱压力设定准则进行工程应用。现场监测数据显示,盾构掘进施工引起的地表隆沉得到有效的控制。     

土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态,一种是盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡,另一种是出土的平衡。两种平衡状态只有在刀盘开口率非常大时才等价。由于面板的挤压作用,开口率较小的盾构两种平衡状态将有较大偏离。出土率是控制土压平衡的重要指标,当其接近100%时,盾构处于出土的平衡掘进状态。盾构掘进时很难直接控制出土率,可通过施工参数间接控制。推导出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系,通过模型试验验证三者关系;推导平衡状态时上述三个参数的关系,该关系可作为通过施工参数控制平衡状态的标准;提出通过模型试验确定平衡状态时参数匹配的方法。当出土率小于或大于100%时及采用开口率较小的面板式刀盘时,盾构将产生不平衡掘进。大部分土压平衡盾构不平衡掘进产生挤土作用,造成正的地层损失及附加的应力场。试验结果表明,不平衡推进时挤土量一部分产生体积应变,一部分形成正的地层损失,使盾构前方地表产生了隆起;现场试验测试了刀盘前方附加应力场的大小和范围。研究成果可以指导土压平衡盾构推进时的参数控制,对控制推进时地表变形有指导意义。     

盾构施工过程中的土体变形研究

 基于盾构施工过程,利用弹性力学Mindlin解,通过坐标变换经积分推导刀盘与土体之间摩擦力所引起的地面变形计算公式,并得到盾构施工引起的总地面变形计算公式。结合杭州地铁一号线工程中具有代表性的粉砂土层,分析盾构与土体的复杂相互作用,并对盾构与土体相互作用引起的土体变形特征进行计算。通过计算发现,盾构施工中盾壳摩擦和正面推力是盾构推力设置的主要因素,而刀盘与土体摩擦是刀盘扭矩设置的主要因素,盾构前方土体隆起主要由盾壳摩擦引起,刀盘摩擦作用主要引起地表沉降的非对称分布,地表沉降主要由盾尾空隙产生。通过实例计算并与实测结果对比发现,使用盾构变形计算公式适用范围在盾构机头前后±2L距离处,对指导实际盾构施工具有重要意义。     

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。     

干砂地层中盾构开挖面失稳模式及土拱效应试验研究

盾构开挖面的稳定直接关系到盾构施工的安全,而国内外关于开挖面失稳模式的大型模型试验研究却很少。利用直径1m的盾构模型,对干砂地层中盾构开挖面稳定性问题进行了研究。通过对开挖面前方土体应力状态变化的监测,从土体应力变化的角度,揭示了随着土拱的形成、发挥和发展过程,开挖面经历了局部失稳和整体失稳这样一个渐进破坏的模式。将试验结果和楔体模型计算结果进行对比,对计算模型参数的选取提出了建议。     

Evaluation of tunnel face stability by transparent soil models

Accurate estimation of tunnel face support pressure is necessary for economical and safe shield tunneling in cohesionless soils. This paper presents measurements of tunnel face support pressure and associated soil movements obtained using a transparent soil model that simulates shield tunneling in medium dense saturated sand. The use of a transparent soil surrogate permits measuring the internal soil deformations within the model soil. Soil deformations associated with various face support pressures are presented for 4 cover-to-diameter (C/D) ratios. Failure is found to be sudden with sand flowing into the tunnel leading to a prismatic wedge in front of the tunnel face and a vertical chimney of soil above. A minimum support pressure was achieved with support pressures as low as 10 ± 1% of the effective vertical stress at the tunnel axis. The stability of the tunnel face was related to the coefficient of active earth pressure with C/D ratio having a small effect on the magnitude of required pressure at collapse.     

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。     

考虑多因素的类矩形盾构施工引起土体竖向位移研究

基于Mindlin位移解和随机介质理论,考虑正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力、附加注浆压力和土体损失,研究类矩形盾构施工引起的土体竖向位移及各因素的影响。研究土体损失的过程中引入了开挖面收敛模式参数α和纵向损失率修正公式。研究结果表明:考虑多因素的土体竖向位移预测值与实测值较吻合,能反映出纵向地表沉降曲线在开挖面附近及后方地表出现隆起和沉降逐渐发展的过程;随着深度的增加土体沉降值增大;隧道轴线两侧的土体沉降增量要大于轴线正上方,沉降曲线呈W型。该方法也可以用于分析土仓压力不均的工况,此时开挖面前方的沉降曲线不再对称;正面附加压力减小,开挖面前方地表沉降值增加,反之,沉降值减小。     

大断面矩形隧道盾构现浇衬砌同步施工技术

一直以来,国内外盾构法施工在软土地层中运用较多,而大断面矩形隧道在硬土层中采用现浇衬砌施工的范例极少。本文主要通过工程的特殊性和技术创新点来论述该施工技术的特点和成果。     

既有桩基对盾构施工参数的影响研究

盾构隧道施工邻近桥梁桩基已成为目前研究的热点问题。针对盾构施工参数取值在工程中的应用价值,利用三维弹塑性有限元分析了桩基引起地层的竖向附加应力,反推出了Geedes式中的桩端阻力、桩侧阻力分担桩顶荷载的比例系数与桩长的数学表达式,并将Geedes竖向附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径对比分析后,给出了桩基影响区域和非影响区域的界定半径;基于支护压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件,利用三维弹塑性有限元进行计算分析,给出了支护压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值和土体损失的计算表达式;基于桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力,给出了桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力阻力选取工作面静止土压力合力,注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时,对地层的扰动较小。     

北京地铁10号线国贸—双井区间土压平衡 盾构施工数值模拟研究

 以北京地铁10号线国贸—双井区间盾构施工为背景,运用FLAC3D软件对盾构过程进行动态模拟,在模拟盾构隧道周围设置应力及位移监测点,计算得出隧道周围土体垂直和水平方向位移及相应的应力变化规律。研究结果表明：盾构推进过程中,盾构开挖面前方土体受到挤压作用,不仅表现在竖向位移,水平位移也有同样现象发生,水平位移绝对值不如竖向位移显著;在盾构开挖面附近边界,土体垂直和水平应力下降明显,释放率在50%左右;盾构推进对周围土体的剧烈扰动主要集中在开挖面处至开挖面后方20 m土体范围内。数值模拟结果跟实测结果吻合较好。     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟

在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。