功互换定理研究土质隧道开挖引起的地面沉降

介绍基于功互换定理计算土质隧道开挖引起地面沉降的弹塑性方法。首先构建浅埋圆形隧道两组具有独立受力状态的计算模型,并分别给出两组弹性和弹塑性状态下应力、应变和位移解析,然后利用由虚功原理推导的弹塑性Maxwell-Betti功互换定理建立该隧道开挖引起地层损失率VL的解析表达式,最后将其引入Peck公式即可得到相应地面沉降的表达式。将该方法与Sagaseta法等4种方法对某土质隧道理想化模型进行地面沉降预测的比较分析,及在4个隧道工程实例的应用发现:其与Sagaseta等其他方法一样可应用于预测隧道开挖引起的地面沉降;考虑围岩塑性变形的地面沉降结果比基于弹性分析的Sagaseta法和Verrijt-Booker法偏大;该方法计算结果更接近实际监测沉降值。分析表明:该方法能较好反映开挖围岩弹塑性变形对地面沉降的影响,并在工程应用上具有一定的合理性和可靠性,尤其适用于围岩土质较硬且分布均匀的浅埋隧道。     

隧道施工条件下临近群桩水平力学反应分析方法

采用两阶段分析方法,提出隧道施工对群桩水平位移和内力影响的简化解析计算方法:第一阶段采用Loganathan解析解估算隧道开挖引起的土体水平自由位移场,第二阶段首先基于Winkler地基模型把桩视作弹性地基梁,将自由土体位移施加于桩并建立单桩水平位移控制方程,然后应用简化Mindlin方程,考虑被动群桩的桩-桩相互影响,计算被动群桩的遮拦效应,最后得到隧道开挖对被动群桩的影响,并与边界元法分析结果及工程实测数据进行对比,得到了较好的一致性。     

隧道开挖对邻近非连续接口地埋管线的影响分析

隧道开挖引起的地面沉降会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形，甚至会引起管线的开裂破坏。将隧道开挖引起的地面沉降效应作为外界条件施加于地埋管线上，基于改进的Winkler地基模型，并采用虚拟节点以考虑管线接口处的力学特性，提出了刚度非连续接口管线在隧道开挖条件下响应的简化理论分析方法。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比，验证了该方法的合理性。并通过与层状弹性理论解的对比，得到了该方法在非均质地基中的适用性。参数分析认为忽略管线接口存在的连续管线假设在分析接口地埋管线有不合理处。     

隧道开挖对群桩影响的简化分析方法

市区隧道开挖的一个关键问题是评估隧道施工对邻近桩基潜在影响。对隧道开挖引起的桩基础弯矩与轴力进行简单可靠的预测，对于隧道开挖安全性具有重要意义。本文提出一个简单的两阶段分析模型来确定隧道开挖引起的桩群变化。第一阶段，利用Loganathan和Poulos提出的解析解来评估隧道开挖引起的自由场内土体的竖向和侧向位移。第二阶段，假设桩土接触面没有侧移，首先在多层土体情况下结合有限差分法利用Winkler模型模拟桩土相互作用；然后，基于Randolph和wroth提出的垂向对数衰减作用和水平相应的明德林解，考虑两被动桩间的相互作用产生的遮拦效应；最后，由于隧道开挖引起的被动群桩响应通过叠加原理获得。隧道开挖引起土体位移进而影响单桩或群桩，通过这种分析方法得到的解与利用边界元软件GEPAN求得的解进行了比较，同时还与离心模型实验结果和实地观测数据进行比较。结果显示本方法基本可以较理想的预测隧道开挖对被动群桩影响。     

重庆中梁山歇马隧道非稳定涌水量解析计算

利用解析公式计算是预测隧道涌水量的常规方法,目前的解析算法以稳定流居多,而考虑隧道开挖过程的非稳定涌水量的解析解并不多见。介绍了Perrochet等人提出的解析公式,该公式利用了卷积积分与叠加原理,可计算隧道在产状近垂直的多层非均质地层中开挖时的非稳定涌水量。在重庆中梁山歇马隧道开挖施工期间,积累了较丰富的涌水量监测数据,隧道的进口段满足公式的适用条件,根据开挖进程对隧道进口段进行了分段。非稳定涌水量解析计算结果表明,该公式较好地反映了隧道在非均质地层中开挖时,累积涌水量的时空变化趋势,可将其应用于水文地质条件类似的隧道工程涌水量计算中。     

隧道开挖引起水平向位移被动桩的简化计算方法

目前,大部分盾构隧道开挖对邻近桩基影响的理论研究是将被动桩简化成单参数的Winkler地基模型和双参数的Pasternak地基模型,较少考虑计算精度更高的三参数Kerr地基模型。基于Kerr地基模型建立被动桩的水平挠度控制方程,结合盾构隧道开挖施加的水平附加应力,利用差分法计算得到盾构开挖对邻近桩基的数学矩阵解析表达式,进而得到被动桩的水平变形位移半解析解。两个工程实例表明,Kerr地基模型比Winkler、Pasternak地基模型的计算结果与实测数据更接近。参数分析表明:随着隧道直径的增大,被动桩水平位移会增加;增大桩基的直径,被动桩水平位移会减小;对于桩底以下隧道开挖情况,增大桩基与盾构开挖的水平距离和竖向净距,被动桩水平位移均会减小。     

大跨度小净距隧道围岩应力计算方法

隧道施工过程中,围岩应力和变形是反映施工安全的2个指标。笔者分别以某3线大跨度小净距隧道和某立交小净距隧道的施工为例,利用圆形洞室围岩应力计算公式进行简化解析计算,得到的结果与数值模拟分析结果相差不大。说明该应力计算方法可以简易快捷地计算多隧道开挖过程中最大围岩应力发生的位置及其数量级,从而为隧道的开挖顺序、步骤以及支护方案的确定提供参考。     

基于高效保角变换的单个复杂洞室围岩应力场解析解研究

 基于高效的、边界点搜索的地下洞室外域映射函数解法,以及柯西积分公式和弹性力学中的复变函数解法,简化并总结求解单个复杂洞形围岩应力场解析解的一般性步骤,推导出势函数的解析表达式,然后根据应力组合的复势表达式求解出各应力分量的解析表达式。在映射函数已知的情况下,利用该表达式能够快速精确地求出任意复杂形状洞室的围岩应力场解析解。通过与数值计算结果相比较,得出该解析解法能够计算出更为精确的应力场,并且求解效率很高。同时,求解直臂马蹄形洞形平面问题的应力场解析解,分析在3种不同远场应力情况下的应力集中情况。最后,结合锦屏一级水电站主厂房的实际情况,求解出开挖后的围岩应力场解析解。     

三心圆拱断面隧道围岩黏弹性位移解及应用

基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。     

层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析

首次采用弹性层状半空间地基模型,建立了多层地基中隧道开挖对临近既有隧道影响的连续弹性分析方法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。首先,采用Laplace积分变换得到了直角坐标系下单层地基应力和位移的初始函数,在此基础上,运用矩阵递推技术,给出了竖向荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式并将其作为分析该问题的基本解。然后,采用弹性层状半空间地基模型将既有隧道视为Euler-Bernoulli梁,地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算,并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程,从而可以求得隧道纵向位移和内力。最后,结合离心模型试验和有限元数值模拟算例进行分析,验证了本文方法的有效性。此外,为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,还对几种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。成果可为合理制定地下工程施工对临近既有隧道的保护措施提供一定的依据。     

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.     

既有隧道在上覆基坑卸荷下的形变响应简化算法

基坑开挖将打破土体原有应力场,对下卧隧道产生不利影响。鉴于此,提出一计算既有隧道在上覆基坑卸荷影响下的形变响应简化计算法。首先,利用搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁来模拟既有隧道,分析中,采用可考虑隧道埋深影响的地基反力系数;其次,借助于Mindlin解给出基坑开挖所引起的隧道轴线位置处的土体自由位移;然后,再结合隧道-地基土的位移耦合条件建立起隧道的变形控制方程;最后,通过有限差分法给出基坑开挖引起的下卧既有隧道的纵向响应解答。通过与三维有限元和既有理论解的对比验证了所提方法的准确性和适用性。接着对不同因素对隧道形变响应的影响做了参数分析,包括:隧道埋深、基坑-隧道相对空间位置、基坑开挖深度、基坑几何形状、隧道-地基土的相对刚度等。在此基础之上,进一步提出下卧隧道在上覆基坑开挖卸荷影响下的最大竖向位移简化预测公式。上述研究结论可为类似工程提供一定理论支持。     

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。     

平行双孔水工隧道相互作用的时效解答

地下工程中常遇到流变岩体中双线近距离隧道施工问题。隧道施工位移的预测和控制,特别是新建隧道的施工对既有隧道产生的影响,是工程中面临的重要问题。针对流变岩体中深埋双圆形水工隧道的问题,笔者采用复变函数方法和Laplace变换技术建立了考虑施工过程时黏弹性应力、位移与弹性复位势之间的关系,然后运用黏弹性叠加原理得到了整个施工过程各个阶段围岩应力和位移全量和增量理论解答,并据此进行新建隧道对既有隧道的影响分析。为验证解答的正确性,对一算例进行了有限元解答和理论解答的比对,两者吻合很好。与数值与实验方法相比,本文解答可以较为便利地对岩体应力、位移进行参数分析,进一步可以指导工程的初步设计。     

考虑隧道剪切效应的基坑开挖对邻近隧道纵向变形分析

 基坑施工将打破周围地层已平衡的应力场,引起应力释放,对既有下卧地铁隧道产生不利的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应的基坑开挖对下卧隧道影响的解析解。既有隧道简化为搁置于Winkler地基上的Timoshenko梁。通过两阶段分析法,考虑基坑卸荷作用下已建隧道的响应。首先基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道纵向变形微分方程,然后将由Mindlin弹性解计算得到附加荷载施加于既有隧道上,最后通过有限差分法得到在附加荷载作用下隧道的纵向变形解答。收集3个已发表工程实例的实测数据,并与本文方法及Euler-Bernoulli梁法的计算结果进行对比分析,发现实测结果与2种方法得计算结果有较好的一致性。然而,在内力分析上,相对比于本文方法,Euler-Bernoulli梁法明显高估基坑卸荷引起的隧道弯矩与剪力。由于本文方法可有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步给出1在卸荷作用下隧道管片间错台量。研究成果可为合理预测邻近基坑施工对既有隧道的影响提供一定的理论支持。     

深埋马蹄形隧道开挖围岩应力与位移的复变函数解

利用复变函数解法中的柯西积分法,求解工程中常用的单心圆仰拱马蹄形隧道在弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解表达式。由于是深埋隧道,且埋深与孔径之比较大,故不考虑重力梯度影响,直接把重力作用化为无限远处作用有P1、P2的外载;求解出马蹄形隧道孔洞在弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解表达式。结合典型断面,利用三维有限元分析软件MADIS/GTS建立二维平面应变模型,对理论推导单心圆马蹄形隧道在弹性平面内的解析解公式进行验证。分析表明,有限元结果和解析解结果有较好的吻合性,证明了新方法的准确性,针对深埋马蹄形隧道开挖工程,可以快捷地评估围岩应力状态及位移变形。     

A proposed methodology for analysis of ground settlements caused by tunneling, with particular reference to the “buoyancy” effect

A new analytical method is proposed in order to realistically estimate the ground settlements caused by shallow tunnel construction. In the estimation of these ground settlements with the finite element method (FEM), the weight of the ground which is removed at the tunnel excavation has a large effect on the value of the settlements, when the ground is assumed as an elastic body. Some problems related to the settlements estimated by FEM are pointed out through the elastic theory, a back analysis, and field measurement results. A new analytical method is proposed, which disregards the weight of the ground removed, at the estimation of the excavation forces acting on the tunnel boundary. The appropriateness of the method is confirmed through a comparison between the analytical and the field measurement settlements.     

开挖卸荷引起下卧已建盾构隧道的纵向变形研究

开挖卸荷引起的下卧已建盾构隧道纵向变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。将已建盾构隧道视为三参数Kerr弹性地基上的无限长梁,采用两阶段法研究基坑开挖卸荷引起下卧盾构隧道的纵向变形。对简化弹性空间法获得的地基参数进行讨论,通过与有限元模拟结果对比确定了合适的Kerr地基模型参数选取,并对Winkler、Pasternak与Kerr 3种地基模型的模拟结果进行了对比。为获得更合理的上方卸荷引起的隧道响应,推导并求解了考虑隧道侧向土体对隧道作用的平衡微分方程,解析结果与有限元结果基本吻合,与工程实例监测数据对比,验证了方法的有效性。研究表明：相对于Winkler与Pasternak模型,Kerr地基模型更具优越性;对通过简化弹性空间法得到的地基参数进行适当修正可以使弹性地基模型的模拟结果更理想;隧道侧向土体对隧道的作用比较显著,应在计算中考虑。     

Face stability and required support pressure for TBM driven tunnels with ideal face membrane – Drained case

Assuming that an ideal membrane develops at the face, three-dimensional finite element simulations are employed to investigate the effects of tunnel diameter, cover-to-diameter ratio, lateral earth pressure coefficient, and soil strength parameters on the stability and displacements of the excavation face of mechanically driven tunnels in drained conditions. The relation between the face support pressure and the calculated tunnel face displacement gave the minimum face support pressure that should be applied on the tunnel face to avoid abrupt movement of the tunnel face. An equation is given for the minimum support pressure as a function of friction angle, cohesion, lateral earth pressure coefficient, tunnel diameter, and tunnel depth. The minimum support pressures are compared to the analytical solutions available from the literature. For cohesionless ground, the face support pressures obtained from the finite element analysis shows a good agreement with the values from the analytical methods published in the literature when cover-to-diameter ratio is 1. However, as the cover-to-diameter ratio increases, the values from the finite element analysis are greater than suggested by the analytical method. For cohesive ground, the pressure from finite element analysis is found to be almost always equal to or greater than the values obtained with analytical solutions.     

Simplified analytical method for evaluating the effects of overcrossing tunnelling on existing shield tunnels using the nonlinear Pasternak foundation model

The excavation of a new tunnel above an existing shield tunnel at close proximity may cause a series of adverse impacts on the underlying tunnel. Thus, a reasonable assessment of the existing shield tunnel’s responses to overcrossing tunnelling is crucial to ensuring the safety and serviceability of the existing shield tunnel. In this study, a simplified nonlinear analytical method is proposed to rapidly assess existing shield tunnel responses to overcrossing tunnelling. A nonlinear Pasternak foundation model (NPFM), considering the nonlinear deformation of the ground as well as the interaction between adjacent springs and upward tunnel displacement, is proposed for modelling the tunnel-soil interaction associated with unloading stress. An effective Newton’s iterative computational program, combined with the finite difference method, is developed for the nonlinear responses of the existing shield tunnel. The reliability and applicability of the proposed method are subsequently validated by a comparison with the results of three-dimensional finite element analyses and two well-documented and published field measurements. The predictions are also compared with the results of six elastic simplified analytical methods based on different subgrade reaction moduli.