基于FLAC 3D地铁盾构施工地层竖向变形研究

盾构隧道施工会对周围土体产生扰动,当土体沉降和变形过大时,会对邻近地下管线产生危害。采用统一土体移动模型解计算盾构隧道施工引起的土体自由位移场,通过能量方法建立变分控制方程,得到盾构隧道施工引起地下管线竖向位移的计算方法。为了预测盾构施工地铁隧道时隧道地层变形情况,采用FLAC3D岩土模拟软件对地铁穿越富水砂卵石地层进行模拟分析,可对类似工程有所助益。     

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。     

盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析

在城市环境中，如何控制地层移动以保证隧道周围临近建筑物以及地下市政设施等的安全，是设计以及施工中必须考虑的主要问题。通过对盾构施工对地层扰动的一般性状的分析认为，地层的移动在盾构隧道周围呈现区域性的不同特征，而且随工作面压力的不同，各扰动区域间的分界面发生变化。另外。由于已有地下污水管道自身具有一定的刚度，它的存在对盾构掘进引发的地层移动产生一种遮拦作用而使地层移动特征发生变化。以上海地铁二号线工程为工程背景，通过在地下污水管道周围的地层中测定地层的超孔隙水压力和土层的移动(包括地层的分层沉降以及地层在两个方向的水平位移)。研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性。研究表明，在盾构掘进接近、穿越以及远离测孔区3个施工阶段，隧道周围不同区域的土层呈现出各自不同的移动特征。     

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。     

新建盾构隧道施工对近接平行隧道的影响分析

针对软土地层中浅埋大直径盾构隧道施工对既有近距离平行隧道的影响,以上海人民路越江隧道工程为背景,采用三维有限差分数值分析方法对南线隧道施工引起北线隧道的变形和洞周土压力的变化规律进行了研究。数值模拟结果表明新建隧道施工会使既有隧道侧向受压,引起既有隧道拱腰部位产生较大的压缩变形,拱顶及仰拱部位产生较大的张拉变形。新建隧道掘进过程中,既有隧道周围土压力经历增加、减小和趋于稳定三个状态。将数值计算结果与现场实测资料进行对比分析,表明计算值与实测值基本一致。此外,数值计算还有效弥补了现场实测在土体位移分布和土体塑性区形成方面的不足,计算结果表明受新建隧道施工影响,既有隧道周围地层位移和塑性区范围都有增加。研究结果可以为浅埋大直径近距离越江盾构隧道的设计和施工提供参考。     

双线盾构施工对邻近建筑物影响的数值分析

 城市繁华地区盾构隧道施工常需从建筑下方地层穿越,如何确保上部建筑及隧道安全是施工中的难题。以武汉长江双线盾构隧道工程为例,利用有限元程序ABAQUS,对穿越武汉理工大学5层钢筋混凝土框架结构电教楼下方的隧道盾构掘进采用三维数值分析方法进行计算,模拟盾构掘进引起的地层变形和规律以及对隧道上部建筑物的影响。计算预测值与实测值较吻合,分析方法可用于分析和预测盾构掘进引起地层及隧道上部建筑物的变形。     

基于PFC的盾构穿越既有隧道稳定性分析

新建隧道近距离穿越既有地铁隧道时,不但会诱发地表沉降,并且对既有地铁隧道也将产生不利影响。针对盾构近距离下穿既有隧道施工,构建二维颗粒流数值模型,研究新建盾构隧道近距离下穿既有隧道开挖面破坏形态、支护力与开挖位移关系、纵向地表变形及既有隧道周围土压力分布模式。研究表明:盾构开挖面支护压力随着开挖面位移的增加呈现先增加后减小的趋势,由于既有隧道的存在,开挖面逐渐远离既有隧道时,盾构开挖面支护压力较开挖面逐渐接近既有隧道时大。最大地表纵向沉降值出现在距离既有隧道中心2D范围内,随着盾构推进,新建隧道管片上方土压力表现为平缓增加的趋势,当远离既有隧道时,隧道上方水平土压力整体逐渐增加,盾构开挖面前方区域沿深度方向的土压力呈显著的非线性分布。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和指导。     

浅埋条件下盾构施工参数对地层扰动影响研究——以福州地铁4号线某路段区间盾构隧道施工为例

以福州地铁4号线化工路站～福新东路站区间盾构隧道穿越软土地层施工为背景,采用数值模拟方法,建立了考虑土仓压力、刀盘-土体摩擦扭矩、注浆压力、盾壳-土体摩擦力的盾构动态开挖模型,研究了浅埋条件下各施工因素对周围土体的扰动规律。结果表明:盾构开挖过程,在土仓压力和盾尾注浆压力等因素的综合作用下,开挖空间上方地层出现先隆起后沉降的变化过程,一侧土体则在盾构开挖过程逐渐外扩,沉降及水平位移最大值分别出现在开挖轴线的竖向和水平面上;土仓压力和盾尾注浆压力的增加有利于减小地层沉降值,但对应侧面土体水平位移有所增大,刀盘与盾壳和土体间摩擦力的增加会进一步增加上部地层沉降和侧面土体水平位移,施工过程应根据地层变形控制要求,合理调整土仓压力和盾尾注浆压力,同时降低机械与土体的摩擦。     

盾构隧道下穿既有桥梁桩基托换的数值分析

文章以南京某地铁区间盾构隧道穿越市政公路桥梁桩基工程为依托,采用有限元软件ABAQUS分析和预测盾构穿越对完成桩基托换后桥梁结构及周边环境的影响规律和范围。整个三维数值模型包括桥梁结构、地基、盾构隧道3个部分,数值计算结果表明：隧道周围土体位移的分布符合一般规律,量值较小,隧道上方土体下沉量和地表沉降最大值均在安全允许范围内;隧道开挖后,桥面板最大压应力有所增大,而最大拉应力略有下降,桥梁面板的附加挠曲变形不大,面板应力在安全范围内;隧道正上方桩的桩身轴力降低,边桩桩身轴力增加约18%,不会造成桩基破坏。研究可为相似工程的设计、施工等提供借鉴与参考。     

小转弯半径盾构施工诱发地表土体变形研究

为揭示小转弯半径盾构施工过程中土体的力学响应,以杭州某小转弯半径地铁隧道施工为依托工程,通过建立盾构隧道从直线掘进过渡到转弯过程的三维有限元数值模型,研究各阶段隧道周围土体力学和变形特性的演化规律。结果发现,整个隧道掘进过程中土体力学性状稳定,转弯段与直线段土体变形规律接近,但当盾构机完全进入转弯段时对各区段周围土体力学特性扰动较大。     

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。     

盾构法施工对地表及桥梁桩基的影响分析

盾构法作为地铁隧道施工的一种主要施工方法已在我国得到广泛的应用,由施工引起的地层移动和地表沉降是盾构隧道设计和施工中备受关注的问题,以深圳地铁5号线洪浪～兴东盾构区间下穿广深高速公路立交桥隧道施工为工程依托,运用有限差分程序FLAC3D模拟盾构隧道开挖的全过程,对施工产生的地表沉降及桥梁桩基的侧向变形进行了预测分析。计算结果表明,地表沉降最大值为7.32 mm,桥梁桩基变形以水平变形为主,最大水平变形为2.58 mm。在X方向,桥梁桩基下半部分朝背离隧道方向位移;上半部分朝相反方向位移,即桩基发生倾斜,且该倾斜随着盾构机的掘进将越来越大,隧道贯通时达到最大值。     

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。     

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。依托相关工程监测数据与简化时域解对比,得到了较好的一致性。研究结果表明:所得出的时域解能较好地反映地表堆载作用下盾构隧道开挖对周围土体位移场的影响,以及地层变形随时间的发展趋势。在地表堆载影响下,随着时间推移,开挖引起的地层变形不断增加,沉降速率则呈现出逐渐衰弱直至为零规律,而堆载突变导致其地表沉降值尤其沉降速率变化显著。研究成果对黏性地层密集堆载群范围内的隧道施工控制具有一定理论指导意义。     

盾构施工中注浆压力波动对邻近桩基影响的研究

盾构隧道施工中,沿着掘进方向土体参数存在空间变异性,需要不断调整注浆压力,以保证地应力稳定。这导致在施工过程中注浆压力会围绕设计压力值曲线波动。因此,在模拟盾构隧道掘进施工过程中应该考虑注浆压力参数的波动性对邻近受荷桩基的影响。针对这一问题,结合太原地铁2号线“学府街站—长风街站”盾构区间工程案例,考虑了注浆压力参数的不确定性,用数值模拟方法分析了地铁隧道盾构施工对邻近受荷桩基附加响应的影响。结果表明：考虑注浆压力波动性的盾构施工对邻近受荷桩基附加弯矩的影响较大,对附加轴力的影响相对较小;对附加弯矩的影响大的区域在地表以下0～30 m范围内(约2.5倍隧道埋深),对附加轴力影响较大的区域在隧道埋深附近。通过卡方检验发现,当300组注浆压力满足正态分布时,受其影响后的受荷桩基的附加轴力和附加弯矩也服从正态分布。     

厚硬岩层盾构隧道施工对地下管线影响分析

地铁盾构施工可能造成地下埋藏管线变形损坏。为预测盾构隧道施工穿过厚硬岩层时对地下埋藏管线的影响,以大连地铁201标段某区间隧道横穿马兰河床段为研究对象,对盾构施工引起地下埋藏管线影响状况进行研究。首先,基于FLAC^3D数值仿真,构建了坚硬岩层盾构施工隧道及其支护结构数值模型;然后,应用有限差分数方法对盾构施工地表沉降规律及其对地下管线随掘进过程的变形方式和程度进行分析,进而找出地下埋藏管线变形规律。研究结果表明,两组管线监测点的变形规律趋于一致,即50 m长的盾构开挖施工过程仿真中,均出现了稳定期、临界点和变形期;地下排水管线在X、Y、Z三向监测点均有变形产生,较严重变形出现在管线与地表垂直方向。本研究为掌握盾构施工对地下管线影响、提高施工安全可靠性,具有重要指导作用。     

Ground movement induced by parallel EPB tunnels in silty soils

When constructing tunnels with poor geotechnical conditions in densely populated urban areas, there are many challenges including intolerable ground movement, face failure, and potential damage to adjacent structures (i.e., tunnels, piles, and pipelines). Earth pressure balanced (EPB) shields have been widely used to solve these problems. However, tunnel excavation causes release of in situ soil stress, which results in the soil movement. This paper focuses on field measurements of parallel tunnels using EPB shields in silty soils. Specifications on the ground profile, construction procedure, and field monitoring of pore pressure in the soils, ground subsidence, subsurface settlement, and horizontal displacement are reported. During shield advancement, the pore pressures in the soils showed the zigzag-shape distribution along the distance. The settlements indicated upheaval-subsiding behavior in the longitudinal direction. The soil settlement decreased from the crown of the excavation face to the ground surface and to the invert of the excavation face in the transverse direction. Outward horizontal displacements of soils adjacent to the tunnels and inward horizontal displacements of the soils near the ground surface were also observed before the tail injection. The second tunnel excavated rendered a slight squeezing effect on the first tunnel. These satisfactory measurements indicate the effectiveness of the EPB technique in reducing potential damage to adjacent structures.     

泥水盾构盾尾泄漏处理实例

盾尾泄漏对盾构掘进影响非常大,严重的甚至可能造成地面沉陷、水淹隧道等事故,因此掌握盾尾泄漏的处理技术在盾构施工中非常重要,文中介绍某泥水盾构工程盾尾泄漏的施工处理经验,供同行参考。     

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。