浅埋暗挖法下穿施工既有隧道变形特点及预测

随着城市的不断发展,城市的隧道建设越来越多,在新建隧道近距离下穿施工时一定会对既有隧道造成影响。正确的分析、预测既有隧道变形特点便成了现代浅埋暗挖法下穿施工中的一项重要工作。在现代的预测工作中,一般采用Peck公式,这种方法最简便,应用也非常广泛,对于近接工程设计和施工有很好的帮助作用。     

盾构近距离下穿矩形顶管隧道施工变形规律研究

呼和浩特地铁2号线盾构隧道下穿海亮广场人行过街通道是全国首个盾构下穿矩形顶管隧道的工程案例,没有相关工程经验可以借鉴,下穿引起的矩形顶管隧道纵向变形等理论问题尚不清楚,有待进一步研究。为此,本文以该工程为背景,通过现场监控量测和数值模拟,对盾构隧道近距离下穿施工引起的矩形顶管隧道纵向变形规律进行研究。主要得到以下成果:新建盾构隧道施工引起的既有矩形顶管隧道结构沉降,单一隧道穿越后,用Peck公式拟合得到的沉降槽曲线符合高斯分布,两条隧道穿越后,用双Peck公式拟合得到的沉降槽曲线接近"W"型;矩形顶管隧道结构最大沉降值为17.02 mm,最大沉降点的位置位于盾构隧道正上方;对矩形顶管隧道管节错台影响最大的部位是盾构下穿位置,距离盾构隧道越近,错台量越大;管节张开主要发生于沉降槽曲线的反弯点与最大沉降点,在"W"型沉降槽曲线中存在多处张开量较大的情况,因此,在新建盾构隧道施工过程中应准确确定既有结构沉降槽曲线的反弯点和极值点,并进行及时加固处理,确保既有矩形顶管隧道结构安全。     

浅埋暗挖隧道近距施工引起的上覆地铁结构变形分析

 北京地铁4号线宣武门站分离式双洞隧道近距离垂直下穿既有2号线地铁车站。从整体变形和单个块体位移2个角度对既有车站实测位移进行分析,得出浅埋暗挖隧道近接施工分步开挖过程中上覆地铁结构的变形规律：(1) 既有地下结构整体沉降符合Peck曲线变形规律,而2个变形缝之间的块体结构位移则以转动为主,呈现刚体运动特征;(2) Peck公式拟合得到的地层损失率为0.118%～0.187%,其大小与既有地下结构是否存在、开挖断面大小无明显联系,而与新建隧道支护体系架设时机及刚度密切相关;(3) 拟合得到沉降槽宽度系数为2.44～3.87,为相同埋深天然地层的1.05～1.62倍,沉降槽宽度系数与支护体系刚度无关,而与工前地层加固、既有地下结构的存在有关,且其大小与开挖面积基本呈线性关系。研究结果可为类似工程提供借鉴及参考。     

新建地铁隧道曲线下穿既有地铁施工影响控制研究

为保证新建隧道曲线近接既有地铁安全施工,采用工程调研的方法研究了该工程的主要风险,对近接施工风险和既有运营结构现状进行了调查分析;结合工程施工风险调研结构和既有结构现状调查,有针对性地提出了施工加固措施,并结合现场实施结构对提出的风险控制措施进行了验证。结果表明：（1）该工程曲线下穿段包括曲线下穿车站风道和既有运营地铁隧道,其中下穿车站风道施工为一级风险,下穿地铁区间施工为特级风险;（2）曲线下穿段近接施工风险控制措施：上半断面深孔注浆;区间洞内增设临时仰拱;缩小格栅步距,由750mm变为500mm;(3)现场监测所有监测指标均在安全阈值内,新建隧道、既有车站风道和既有地铁区间的变形均在安全阈值内,拟定的风险控制措施保证新建隧道顺利下穿既有地铁风道和既有地铁区间。     

城市轨道交通隧道周边地下管线变形预测研究

通过总结工程实测资料,指出地下管线刚度较大时,管体与地层之间存在较大的差异沉降。地下管线整体变形与地层移动规律基本相同,隧道垂直下穿时,管体沉降曲线基本符合正态分布。对隧道工程地表沉降预测Peck公式进行修正,建立地下管线变形预测公式,结合已有地层损失率V1研究成果,计算得出管线降槽宽度参数Kp的参考取值。数值模拟结果表明,隧道水平下穿较垂直下穿引起的管线变形大,预测公式可初步评价水平下穿时管线的变形。刚性管线纵向拉应变预测公式也可做相应修正,以计算管线自身的变形。工程应用实例表明,相关修正公式预测结果与模拟计算和实测结果较为吻合,具有较强的实用性。     

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

新建隧道下穿既有隧道施工时，由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响，地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛，基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系，对传统随机介质理论进行了简化和改进；应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法，对非均质地层和既有隧道进行了等效处理，提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型，结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明：与传统随机介质理论相比，预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点，与数值计算及现场实测结果的关联度更大，具有更高的合理性和准确性，为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。     

既有人防结构电力改造对邻近建筑的影响研究

随着城市的发展,对既有地下结构的改造和扩建日益增多,城市地下空间环境复杂,近接建筑物多,施工过程中易对既有建构筑物造成影响。以重庆解放碑地下停车系统工程下穿银座商场主通道下的新建电力隧道为工程背景,提出从现状人防结构路面下开挖电力隧道的设计方案,经过现场检测得到人防结构现状参数,结合有限元数值技术模拟电力隧道施工过程,分析电力隧道开挖施工引起的既有人防结构及近接建筑物基础变形情况。结果表明:各个施工阶段,既有人防结构及近接建筑物处于稳定状态,该新建电力隧道设计方案可行。     

地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性分析

针对南宁地铁4号线盾构隧道近下穿既有南环线铁路隧道工程,采用三维有限元数值计算方法,分析了新建盾构隧道近距离下穿施工对地表和既有隧道结构及轨道的影响。数值计算结果表明,通过对下穿段一定范围内的盾构周边土体进行注浆加固可以有效控制盾构隧道施工对地表和上方铁路隧道的影响,能够将地表沉降、既有隧道衬砌变形及结构安全、轨道变形控制在安全范围内,为工程施工提供重要参考依据。     

新建隧道斜交下穿引起既有隧道变形计算研究

基于Peck理论,假定隧道变形随着地层变形而发展,考虑隧道相互交叉角度的影响,将既有隧道视为连续弹性地基梁,提出了新建地铁隧道斜交下穿既有隧道引起既有隧道纵向变形的一种计算方法,并以重庆市轨道交通四号线一期工程为例,结合实际监测数据证明了该方法的适用性。     

浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术

 主要针对越来越多的浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁工程，结合北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁2号线区间隧道工程，介绍新建浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁隧道的关键控制技术。主要包括：对既有地铁的现状进行全面调查评估；根据现状评估结果并结合理论分析和类似工程经验确定既有地铁的变形控制标准；通过有限元分析方法等进行新建隧道施工对既有地铁影响的预测分析；对主要施工方案进行优化，并选取超前大管幕、掌子面注浆、补偿注浆等辅助措施；根据数值分析结果并结合既有工程经验，将主要控制标准按施工步序进行分解，实施控制标准的分阶段控制；通过远程实时监控系统即时监测和分析既有地铁的动态变化，对出现的结构开裂、沉降过大等异常情况及时采取灌浆加固、注浆抬升等处理措施，确保既有地铁的正常安全运营。     

基于数值模拟的北京地区地下道路立交隧道围岩变形分析

城市地下道路立交隧道施工过程中围岩变形分析是工程建设中的核心问题。依托北京城市地下道路工程,采用城区地质条件分层概化方法、三维数值模拟方法分析了临时仰拱台阶法（台阶法）、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）和双侧壁导坑法（双侧壁法）施工影响下的立交隧道地表沉降、洞周变形和塑性区分布特征,明确了立交区域上下层隧道施工的影响规律。研究发现,立交区域同时受到了上下层隧道施工的影响,在地表形成椭球形的沉降盆,在洞周出现了较大的差异沉降|在地表地层和洞周拱脚、拱肩截面的“X”形区域出现了较为集中的破坏区|CRD法和双侧壁法在控制立交隧道地层变形和破坏方面具有明显优势。研究成果可为北京城市地下道路立交隧道设计、施工决策制定提供参考。     

Effects of twin tunnels construction beneath existing shield-driven twin tunnels

This paper presents a case of closely spaced twin tunnels excavated beneath other closely spaced existing twin tunnels in Beijing, China. The existing twin tunnels were previously built by the shield method while the new twin tunnels were excavated by the shallow tunnelling method. The settlements of the existing tunnels and the ground surfaces associated with the new tunnels construction were systematically monitored. A superposition method is adopted to describe the settlement profiles of both the existing tunnels and the ground surfaces under the influence of the new twin tunnels construction below. A satisfactory match between the proposed fitting curves and the measured settlement data of both the existing tunnels and the ground surfaces is obtained. As shown in a particular monitoring cross-section, the settlement profile shapes for the existing tunnel and the ground surface are different. The settlement profile of the existing structure displays a “W” shape while the ground surface settlement profile displays a “U” shape. It is also found that due to the flexibility of the segmental lining, the ground losses obtained from the existing tunnel level and the ground surface level in the same monitoring cross-section are nearly the same.     

Evaluation of deformation response for adjacent tunnels due to soil unloading in excavation engineering

A major challenge in the design and construction of soil excavation and foundation pit engineering in urban areas is the protection of adjacent underground structures, such as existing tunnels. Excavation-induced soil unloading can adversely affect and even damage the tunnels in the vicinity. A simplified analytical approach is presented to analyze the deformation response for adjacent tunnels due to excavation-induced soil unloading in excavation engineering. Firstly, the green soil unloading stress due to adjacent excavation is estimated at the existing tunnel location. Secondly, the deformation response of the tunnel subjected to green soil unloading stress is calculated by the Galerkin’s method, which can be used to obtain the finite element equation converted from the differential equation. The accuracy of the proposed method is verified by comparisons with 3D finite element numerical simulation, centrifuge model tests provide by Kusakabe et al. (1985) and measured data in situ. Finally, the parametric analysis for deformation influence factors of the existing tunnel, including the tunnel buried depth, the distance from the excavation site, the soil geo-characters and the outer diameter of the tunnel, is presented to demonstrate the performance of the proposed method. This proposed method may provide certain basis to make protective measures of existing tunnels influenced by excavation engineering and enables a quick estimate of the deformation behavior of excavation-induced adjacent tunnels, resulting in savings in time and costs.     

双线隧道开挖对邻近隧道影响的两阶段分析方法

随着我国很多大城市地铁隧道的兴建,大多数隧道设计施工方案都采用双线平行盾构法或暗挖法施工。在地下空间越来越拥挤的城市地区,最重要的研究问题是新建双线平行隧道对既有隧道产生的影响问题。合理预测双线平行隧道施工穿越既有隧道引起的变形是确保既有隧道结构安全和新建双线平行盾构的顺利掘进的关键。考虑新建双线平行隧道施工中对周边土层和既有隧道产生的叠加效应,提出了预测新建隧道引起的邻近隧道纵向变形的两阶段分析方法。首先,考虑新建双线平行隧道引起地层位移的不对称性,计算新建双线平行隧道开挖作用在既有隧道上引起的广义附加荷载。然后,将既有隧道考虑为Pasternak 地基上的Euler-Bernoulli梁,基于 Galerkin 法求解既有隧道纵向变形影响的基本微分方程。通过与工程沉降实测数据进行对比,验证该文提出的预测方法的合理性和结果的准确性。     

平行隧道开挖引起上方既有隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道大多数采用平行双洞的布置形式作为隧道设计施工方案,根据不同的地层条件等因素采用盾构法或暗挖法施工。由于城市地下空间变的越来越拥挤,研究新建平行双洞隧道施工过程中对邻近既有隧道的影响程度问题显得尤为重要。本文基于两阶段分析方法研究预测平行双洞隧道开挖引起上方已建隧道的纵向变形的简化解析方法。首先,采用两高斯曲线叠加,计算新建平行双洞隧道施工引起的作用在既有隧道上的附加荷载。然后,将既有隧道考虑为Winkler 地基上的Timoshenko梁,建立既有隧道纵向变形的基本微分方程,并基于Galerkin 法进行求解。将本文提出的简化解析方法得到的结果与工程沉降实测数据进行对比以验证本文提出的预测方法的合理性。最后,进行了参数敏感性分析,研究了不同隧道相互位置、地层损失率、相对抗弯刚度和地层土性参数等对结果的影响规律。     

长春地层地铁隧道施工的Peck公式改进

Peck利用高斯方程提出预测地铁隧道开挖引起的地表位移的方法是目前众多经验方法中最为简便也是应用最为广泛的方法,但这一公式具有相应的局域性,对不同地区的适用性尚未有明确结论。本文以长春地区地铁隧道开挖施工为研究实例,通过对施工过程中大量地表沉降实测数据进行分析,利用线性回归的数学方法,引入两个修正系数:地表最大沉降修正系数α、沉降槽宽度修正系数β,对在长春地区地质条件下由地铁隧道施工引起的地表沉降进行分析研究。结果表明:长春地铁一号线施工区绝大部分实测地表沉降数据都可以较好的进行高斯分布拟合,且当α介于0.3~0.7之间、β介于0.6~1.0之间,Peck公式改进后所绘曲线更接近地表实测沉降数据,使预测效果更好。     

Non-linear description of ground settlement over twin tunnels in soil

Tunneling inevitably leads to ground settlement. The ground settlement trough over a single tunnel is well described by the generally accepted Peck’s formula. A new model of settlement trough is proposed by extending Peck’s formula to the case of horizontally aligned twin tunnels, which is a widely used tunnel configuration in urban metro projects. The feasibility of the new model is demonstrated through exploration of a large amount of ground settlement data accumulated from a metro tunnel project in China. Two numerical methods are implemented in the data exploration process to solve the problem of non-linear curve-fitting and estimation of model parameters. The Levenberg–Marquardt method is shown to be more suitable than the Nelder–Mead method. Based on the new model of settlement trough, a new method for calculating ground loss over twin tunnels is also proposed. The concluded empirical value of the ratio of ground loss is considered to provide an excellent reference for similar urban railway projects in the future.     

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。     

硐室设计与分析的新思路与新方法

分析当前硐室设计与分析方法中存在的问题，提出一套新思路和新方法，其核心思路是以大量、系统的数值仿真试验结果为主样本群，以专家经验为边界样本群，以功能强大的神经网络方法，构建地下硐室自动化分析平台。该平台主要考虑城门洞型隧洞或地下厂房的尺寸、埋深、围岩力学参数、围岩初始地应力及围岩附近一条主断层的位置、距离、与断层厚度及其强度对围岩应力场、变形场及支护结构内力的影响。经与大型数值分析结果、现场实测结果对比与验证，发现该分析平台的误差为10％-20％。可方便地为广大设计人员及监理、施工人员所应用。