超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究

 依托南京长江超大直径泥水盾构隧道工程,通过在始发试验段埋设地表沉降观测点、测斜管、土压计力及孔隙水压力计,进行相应项目的试验。研究泥水平衡盾构掘进各阶段对土体的扰动机制、扰动规律、影响范围以及影响程度。分析得出应力扰动度与距离之间的相关关系,在此基础上计算出盾构推进对土体的显著应力扰动区域(应力扰动度≥5%)为盾构外侧16 m(约一倍洞径)。建立切口压力、同步注浆压力与地表沉降之间的数学模型,进一步修正Peck公式,使之能更好地预估泥水盾构掘进引起的地表沉降。最后结合盾构掘进参数,探究减小土体扰动的措施。     

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。     

外滩观光隧道盾构施工的扰动分析

根据上海市外滩观光隧道盾构掘进时周围土体中的变形、孔隙水压力、土压力和隧道衬砌压力的实测结果 ,分析了盾构掘进施工对周围土体的影响。文中提出了施工扰动影响度的定义 ,根据外滩观光隧道衬砌压力的变化估算了盾构掘进时周围土体中的应力扰动程度 ,提出了盾构掘进时地表沉降的影响范围 ,导出土体中超孔隙水压力与不排水强度的关系。     

14.93m泥水平衡盾构施工扰动实测研究

利用现场监测数据研究14.93 m泥水平衡盾构施工诱发的地层扰动的程度、波及范围和持续时间。监测项目包括5根测斜管、9个地表沉降监测点和20个侧向土压力传感器,监测持续45 d。将采集到的测斜数据和深层水土压力数据绘制成云图,结合地表沉降曲线分析表明:盾构正面支护性能优良,盾构切口通过前后地层几乎没有产生位移,盾构底面以下侧向应力扰动度<10%。盾尾脱出及其后一环脱出是地层扰动最剧烈的时刻,隧道开挖卸载造成了底面以下2D×1.5D(D是隧道直径)范围内应力扰动>10%;采用127%的同步注浆率造成了隧道周边土体的向外挤压和地表隆起,土层最大水平位移位于盾构肩部和腰部注浆孔之间,最大位移19.7 mm,距离盾构轴线2.5D范围以外的位移<2 mm;地面隆起最大值41.3 mm,距离盾构轴线外侧1.5D以外的位移<4 mm。盾构远离监测断面30 d后,地面隆起回落57%。     

顶管施工土体扰动的实测分析研究

对福州某工程顶管施工期间地表位移、土体位移及孔隙水压力进行了现场监测,并根据实测结果分析研究了顶管施工的土体扰动特性。结果表明,顶管施工引起的地表位移可分为顶管到达前沉降、施工扰动沉降、管土间隙沉降及土体固结沉降四个阶段;土体位移(相对地表)在顶管机头距离监测断面5m范围内达到最大,而孔隙水压力变化比土体位移变化要及时,可通过监测孔隙水压力对施工引起的土层移动作出超前预测。     

土压平衡盾构掘进对上软下硬地层扰动研究

 采用Ф800 mm模型盾构开展室内掘进试验以研究土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征,试验充分考虑土压盾构动态施工全过程的影响。建立与室内掘进试验对应的离散元模型定量分析软土超挖现象并挖掘其他地层扰动信息。研究结果表明：土压盾构在硬岩地层中掘进时地表沉降曲面呈现向软土侧展开的“扇面”状;进入上软下硬地层后地表沉降值与范围均急剧增加,沉降曲面呈现自上而下逐渐收缩的“漏斗”状,硬岩侧收缩速度快于软土侧;上软下硬地层地表位移小于均质软土地层,而地中沉降显著大于后者;上软下硬地层地中沉降槽宽度参数沿深度方向呈指数增加,硬岩占断面比例越小,地中沉降槽宽度参数越大。相同埋深条件下,上软下硬地层地中沉降槽宽度参数小于均质软土地层。硬岩占断面比例越大,渣土中砂土所占比例与相应理论值差异越明显。地表水平位移在竖向沉降槽曲线反弯点处最大。研究可为土压盾构在上软下硬地层施工提供参考。     

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。     

大直径泥水盾构施工对粉质黏土地层变形的影响

为研究大直径泥水盾构施工对粉质黏土地层变形的影响,以武汉市地铁29号线工程为依托,借助水准仪和自主设计可伸缩沉降板监测地表和深部土体竖向位移。监测结果表明,在盾构机掘进过程中,地表表现为先沉降后隆起再沉降的变化规律;深部土体竖向位移具有与地表类似的变化规律,当盾构刀盘脱离监测断面 23. 5m时,最大隆起达15mm。     

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。     

砂卵石地层浅埋盾构隧道开挖面稳定模型试验

为探究浅埋砂卵石地层对盾构开挖的响应及开挖面的稳定性规律,设计了土压平衡盾构精细模拟装置,并开展室内模型试验研究。试验分析了浅埋砂卵石地层盾构开挖面变形对地表沉降、沉降槽形态的影响,得到了开挖面的破坏模式及变形破坏细观过程,并与纯砂地层试验进行对比。研究结果表明:(1)不同空间位置土体对开挖面位移的敏感性不同,但土体的破坏规律相似;(2)随开挖面位移增大,地层沉降–开挖面位移曲线表现出不敏感阶段、缓慢线性沉降阶段、加速沉降阶段、快速线性沉降阶段等4个阶段的规律;(3)浅埋情况下土体未出现局部失稳,经历弹性变形、弹塑性破坏之后直接发展为整体失稳破坏;(4)砂卵石土沉降槽两侧在对称性上存在差异;(5)浅埋砂卵石地层中盾构开挖对侧面土体影响范围较小,对前方土体影响范围较大。     

Laboratory model tests and field investigations of EPB shield machine tunnelling in soft ground in Shanghai

In the last decades, many studies have been presented by different scholars on the environmental problems induced by the shield tunnelling in soft ground. But it mainly concentrated on ground surface settlement, tunnel surface stability and the influence to existing structures. Among them, little attention was paid to soil disturbance caused by the mismatch of machine’s operation parameters. In order to reveal this inherent relation, a series of laboratory model tests were carried out in the 1/16 scale for a field tunnel in practice where the tunnel had 6.4 m diameter. The tests to simulate earth pressure balance (EPB) shield tunnelling in soft ground were conducted with a microshield machine (0.4 m diameter). Measurements were carried out simultaneously in each test for total jack thrust force, cutting torque, chamber pressure, mucking ratio, ground surface displacement, and earth pressure. Based on the analysis of test results under different overburden ratio, cutterhead aperture ratio and screw rotation speed, the relationships between machine’s operation parameters themselves and its influence on disturbance to surrounding soil mass were discovered. Such discoveries were also verified by the field investigations. These results are useful for engineers and technicians to select suitable and serviceable machine operation parameters and reduce environmental influence at all stages of tunnel construction.     

大直径土压平衡盾构掘进引起的地表沉降分析

为研究大直径土压平衡盾构掘进对地表沉降的影响,以迎宾三路隧道新建工程为背景,基于ANSYS与FLAC3D软件,建立了大直径土压平衡盾构穿越地层的三维模型。数值模拟结果表明,大直径土压平衡盾构施工会引起较明显的地表位移;数值模拟结果与经验公式及实测数据相吻合,证明了该数值模拟结果的可靠性以及等代层在本模型中的适用性;土仓压力取值过大或者过小会破坏土体极限平衡,造成过大的地表位移;当土仓压力在适当的范围内取值时,其大小变化对地表沉降基本无影响。     

Evaluating the effect of soil structure on the ground response during shield tunnelling in Shanghai soft clay

When evaluating tunnel-induced ground response in Shanghai soft clay, the soil structure and its degradation behaviour of natural Shanghai soft clay during shield tunnelling should be properly considered. In this paper, a constitutive model that considers the initial soil structure and its destructuration is formulated within the framework of critical-state soil mechanics. The model is successfully calibrated and used to simulate the undrained behaviour of natural Shanghai soft clay. Based on the proposed model, finite-element analyses are conducted to simulate the short- and long-term ground responses induced by tunnelling at Shanghai metro line 2. The comparisons between numerical results and field measurements reported in literature indicate that the soil structure and the tunnel-induced destructuration significantly affects the magnitude and shape of the short-term surface settlement trough and horizontal displacement in Shanghai soft clay. The pore pressure variations around the tunnel are also affected by soil structure, which will significantly influence the long-term ground consolidation settlement in Shanghai soft clay.     

盾构隧道引起地层损失和地表沉降的离心模型试验研究

近年来,越来越多的盾构隧道穿越建筑密集区、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。地层损失是盾构施工引起地表沉降的主要原因。利用离心模型试验对盾构隧道的地层损失进行了模拟,研究了地层损失与施工期及工后地表沉降的关系。通过量测、分析隧道纵向沉降、纵向应变、隧道周围土压力和超孔隙水压力的变化,研究了隧道的纵向沉降特性。     

盾构隧道致地层沉降的物理模型试验研究

通过不同隧道埋深、支护压力和掘进速度的盾构隧道施工地表沉降的大型物理模型试验,总结不同条件下的地表沉降规律,分析土压力的变化特性,归纳不同条件下的地表沉降曲线;探讨隧道埋深、支护压力和掘进速度对地表沉降值的影响,推导地表横断面沉降槽计算的经验公式.结果表明:随着隧道埋深增加,地表沉降值减小,地表横向沉降槽影响范围加宽;...     

地面出入式盾构法隧道施工同步注浆工程应用研究

 传统的盾构隧道施工方法带来了现场附近大量拆迁及路面交通拥堵,施工过程中风险增大等诸多问题。研究新型地面出入式盾构法隧道(GPST)施工技术,结合南京机场线工程,对施工过程中土压力、孔隙水压力、水平位移、分层沉降等数据进行现场监测,并针对浅覆土、超浅覆土、负覆土3种不同工况,分别分析各监测结果变化的原因,并提出合理、有效的注浆参数。结果表明：土压力受盾构推进影响明显的范围与覆土深度有关;盾构到达负覆土右侧底部管片受同步注浆压力影响最大;0.5D覆土下孔隙水压力在切口到达前3环产生明显的影响,而－0.3D覆土下孔隙水压力受影响很不明显;3种工况下土体水平位移规律不明显,当注浆参数合适,可以显著减小因盾构推进引起的纵向位移;在负覆土、超浅覆土施工期间,土体左、右两侧分层沉降并不均匀。实际工程的现场试验监测结果为今后其他类似实际工程的应用提供参考性建议。