新建隧道下穿既有隧道引起的隧-土相互作用研究

基于隧道开挖下穿引起既有隧道变形的工况,获得了一种可计算既有隧道受力变形的解析方法。采用修正高斯公式解得既有隧道在盾构下穿作用下的附加应力,将既有隧道视为放置在Kerr地基上的无限长EulerBernoulli梁,结合隧道两端自由的情况获得上覆隧道受力变形响应。案例研究表明：与既有文献离心机试验比较,该方法计算结果符合离心机实测数据;与既有理论和可退化的Pasternak地基模型比较,该方法预测结果更贴近实测数据。进一步参数研究表明：双隧夹角的增大会引起既有隧道位移减小及弯矩增大;既有隧道的位移和弯矩会随着地层损失率的增大近似线性增大;既有隧道位移及弯矩会随着新建隧道埋深的增大逐渐减小。     

差异变形下地铁盾构隧道结构动力响应研究

地基沉降、临近施工扰动导致的工后差异变形广泛存在于我国已建地铁盾构区间隧道中,对服役期内隧道结构性能造成不利影响。基于赫兹非线弹性接触理论模拟轮轨接触关系,考虑车辆、轨道、隧道、围岩的空间结构特征和相互接触关系,建立了车-轨-隧-围岩一体化计算模型,计算了基坑开挖致使盾构隧道隆起变形后列车运行引起的结构动力响应。结果表明:隧道隆起变形加剧了轨道结构和隧道结构的动力响应,基坑边缘和中心位置处的衬砌环接头混凝土动应力变化较为剧烈,衬砌拱顶、拱底处的纵向接头螺栓剪力受影响较大,而拱腰处的环向螺栓内力变化幅度显著。     

海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施研究

海底盾构隧道-竖井连接部位的刚度突变会使隧道结构受到差异位移的作用,形成复杂的空间效应,即隧道结构的端部效应。考虑海床土体的动力非线性特性、盾构隧道管环间纵向螺栓连接以及盾构隧道-竖井柔性接头等因素,建立了苏埃海底隧道工程盾构隧道-竖井连接区段三维精细化有限元模型,研究了海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施。结果表明,在地震作用下,盾构隧道-竖井节点环缝张开量约为常规隧道段的2～5倍,端部效应影响范围约为1.5D(D为隧道直径),隧道结构端部效应随地震动强度的增大而呈非线性增大趋势,低频发育的Darfield波作用比中高频发育的Iwate波作用时引起更大的环缝张开量。盾构隧道端部效应影响范围与盾构隧道-竖井节点自身结构特性相关,受地震波类型及幅值影响较小。增加盾构隧道-竖井节点环缝连接螺栓数量可以有效降低盾构隧道端部环缝张开量,却加剧竖井端墙和盾构隧道结构的地震损伤。增设盾构隧道-竖井柔性连接可将地震波传播引起的结构变形诱导至预设的柔性接头上,减轻盾构隧道端部地震损伤的同时牺牲的是柔性接头处抗震安全性,柔性接头设计能满足预期的地震变形要求。     

盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

矿山法隧道小距离上跨既有盾构区间安全防护技术研究

针对徐州地铁2号线上跨既有1号线的交叠穿越工程,运用Midas GTX NX建立三维有限元模型,分析了矿山法隧道施工对既有地铁盾构区间及车站横通道结构的变形及内力的变化规律,总结了上跨施工对既有结构的影响效果。研究表明,既有隧道受上跨施工的主要影响区发生在穿越节点处,隧道变形在横向上呈竖鸭蛋形,在纵向呈M型分布;结构内力随隧道卸载而减少,减少幅值与地层力学性质密切相关。     

考虑剪切作用的盾构隧道管片接头力学模型研究

目前使用较广泛的盾构隧道管片接头研究模型往往视切向为刚性,大多考虑了轴力与弯矩的共同作用而忽视了剪力作用。然而剪切力可能会使接头位置发生剪切位移,严重时可能引起管片剪切破坏、隧道错台等。该文将轴向、切向和转动三个方向的位移作为已知荷载,分别推导接头区域内螺栓与混凝土结构的刚度矩阵,然后对刚度矩阵进行合成,得到管片接头考虑剪切时的力学模型。并以狮子洋盾构隧道工程为依托,对比了有限元法与该模型的计算结果。研究表明,模型与有限元法计算的结果规律相同,两者具有较好的一致性。该文建立的模型考虑了轴向、剪切及弯曲三个方向上荷载的耦合作用,使之更符合接头的实际情况。研究成果对补充管片接头力学模型有一定参考价值。     

清凉门隧道上跨既有地铁2号线深基坑施工技术

清凉门隧道基坑K2+999~K3+043段上跨地铁2号线,基坑底部离地铁衬砌只有5.1m,为了基坑及地铁衬砌的安全,基坑四周咬合桩围护,形成封闭基坑,并在地铁盾构上部和两侧采用三轴搅拌桩满堂加固,防止基坑开挖期间盾构隧道上浮,运用时空效应理论进行分析,确定一次性卸载量、卸载范围及沿隧道纵向的卸载次序,拟定基坑开挖方案;施工阶段结合监测数据进一步优化、调整开挖次序,使隧道变形曲线趋于缓和,对类似工程的设计和施工有一定的借鉴意义。     

城市框架式下穿隧道基坑稳定性分析

在城市下穿隧道施工基坑开挖的过程中,基坑稳定性不仅影响工程的质量和安全,对隧道跨线的既有结构物也会有影响。利用有限元数值模拟的方式,对基坑开挖不同深度阶段时的结构物位移变形特性进行研究发现：基坑周围地表沉降及水平位移受基坑开挖的影响范围随着开挖深度加深不断增加;支护桩受周边土压力产生侧向变形,最大位移点出现在开挖面附近;坑底隆起高度与开挖深度、基坑宽度有关系,开挖深度为主要影响因素,其最大值主要集中在基坑中心处且开挖深度越深,坑底越容易整体隆起。     

基坑开挖对临近或下卧既有隧道的影响及研究进展

随着地下空间的综合开发利用日益增加,基坑工程临近或上跨既有隧道的现象时有发生。基坑施工势必会引起周围土体应力的重分布,使既有隧道产生附加内力和变形,进而影响运营隧道的安全。本文总结了基坑工程对既有隧道影响常用的研究方法,分析了每种研究方法的特点,归纳了当前研究工作的主要内容和成果,并指出了控制既有隧道变形的常用措施,可为类似问题的研究提供借鉴。     

软土地区侧压损失对盾构隧道受力及变形的影响

针对软土地区地铁沿线工程活动导致盾构隧道收敛变形增大的问题,采用1:10相似模型试验和精细化3D有限元模拟相结合的方法,研究了侧向压力损失对盾构隧道结构处于弹性阶段与塑性阶段的受力及变形的影响规律。研究结果表明:当侧向压力损失较小时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈线性关系,盾构隧道结构处于弹性阶段;当侧向压力损失增大时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈指数型关系,盾构隧道结构进入塑性阶段;增大管片厚度能有效提升管片的抗变形能力,但抗变形能力会随厚度增大而趋于平缓;从混凝土结构偏心受力的角度分析,盾隧道管片厚度增大会导致结构从小偏心受压向大偏心受压转变,但从结构应力/应变的角度分析,管片的最大应变值减小,从而使盾构隧道结构处于更安全的受力状态。     

Impact of Overhead Excavation on an Existing Shield Tunnel: Field Monitoring and a Full 3D Finite Element Analysis

This paper studies the impact of overhead excavation on an existing tunnel through both field monitoring and a full 3D numerical model. It is found that the excavation induced longitudinal heave of the tunnel is uneven with maximum heave occurring below the excavation center. Even at the same cross section, the excavation induced heave is not uniform with the most significant heave occurring at the tunnel crown. The bending moments of the tunnel lining is decreased due to the overhead excavation. The axial forces of the tunnel lining generally decrease except at the tunnel invert. The shear forces of the tunnel increase substantially. The excavation induced tunnel deformation and internal forces may reduce the effectiveness of the waterproof system.     

开挖对地铁盾构隧道影响及控制措施

地铁盾构隧道有严格的变形控制要求。随着地铁网络的密集,邻近开挖已成为地铁隧道安全运营的重要隐患。该文首先介绍了深开挖工程数值模拟中常用的本构模型及参数获取方法。研究了地铁隧道侧面和上方深开挖情况下隧道变形和内力变化规律。提出了侧面开挖和上方开挖隧道变形控制措施。介绍了邻近开挖过程中隧道变形和内力的监测手段。最后,针对盾构隧道发生过大变形导致开裂渗漏水等情况,介绍了隧道结构的加固措施及其效果。     

大断面黄土隧道近距离爆破控制效果分析

为防止超大断面黄土隧道开挖爆破对既有隧道中人、车通行安全的影响,提出合理的爆破施工参数及控制技术。新建二庄科隧道工程,其最大开挖断面达到136.08 m²,存在断面大、周边环境复杂、对爆破施工技术要求高等技术难点。综合考虑现场条件及工程经验,对双侧壁导坑法光面爆破施工技术进行详细设计,通过以大化小、优化施工工序、细化爆破施工参数、加固既有隧道衬砌结构等方法,有效地避免了爆破振动对既有隧道的影响,既有隧道迎爆侧振速峰值仅为4.20 cm/s,远小于规范允许值,且爆破效果也满足光面爆破质量控制要求,从而确保了大断面隧道施工安全及既有隧道的通行安全。因此,该隧道爆破控制技术及参数可为类似大断面隧道爆破施工控制提供参考。     

城市隧道爆破振动速度峰值预测神经网络法应用

结合南京机场线地铁项目,进行了邻近隧道爆破开挖作用下既有隧道的爆破振动速度现场监测试验,应用BP神经网络,建立了既有隧道爆破振动速度的预测模型,并与多种经验公式预测进行了比较分析。结果表明:BP神经网络爆破振动速度预测数据与试验监测数据拟合较好,相比于经验公式预测,具有误差小、精度高的特点。研究成果可为邻近隧道爆破开挖作用下既有隧道爆破振动控制和新建隧道爆破开挖方案完善提供理论参考。     

Ground movement and tunnel stability when tunneling in sandy ground

Abstract

Tunneling may cause ground movements and damage to adjacent buildings and overlying facilities. In this study, the failure mechanism and ground movement behavior around tunnels embedded in sandy soil below the water table were investigated in a series of model tunnel tests in a centrifuge. The magnitudes and extents of the surface settlement troughs for the cases of various ground loss for tunnels buried at various depths are provided. A new failure mechanism is proposed and validated by comparison with the test results. The proposed mechanism enables accurate prediction of two of the key quantities in the design of linings for tunnels embedded in sandy soils, namely the minimum supporting pressure needed to retain tunnel stability and the vertical soil pressure acting on the tunnel crown.     

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

盾构在掘进过程中的力学分析与载荷预估

该文分析了盾构在掘进过程中的总载荷,将其分为基准载荷与掘进载荷,提出一种基于力学分析的可有效描述地质参数、操作参数及结构参数影响规律的盾构载荷计算方法。在计算掘进载荷时,建立了反映盾构刀盘与土体在掘进界面上耦合作用的刀盘接触载荷近似计算模型。通过天津地铁工程的载荷实测数据与基于该文提出方法得到的载荷计算结果比对表明:该方法可用于估算盾构掘进过程中的总载荷,并可用于近似描述地质条件、操作状态及刀盘结构等重要工程参数对载荷的影响,为盾构设计及施工提供了一种可行的工程载荷计算手段。     

盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析

针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土（UHPC）材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。