类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

地下结构抗震计算中地基反力弹簧刚度取值方法研究

地震系数法及反应位移法中土体-地下结构体系均简化为荷载-结构计算模型,利用模型中的地基反力弹簧刚度参数代替地铁地下结构周围岩土介质,地基反力弹簧刚度参数能否正确取值关乎到能否正确模拟岩土介质。为了使地基弹簧系数取值简单方便、精确可靠,文章基于有限元分析法,研究截面高度、顶板埋深、底板与基岩距离、截面宽度、地基土的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角与地基反力弹簧刚度参数之间的关系,由有限元分析结果为数据依据,对地基反力弹簧参数公式进行拟合。提出考虑了多种影响因素的地基反力弹簧刚度综合建议公式,并通过振动台试验震害现象分析及时程分析验证了综合建议公式的可靠性。     

双圆盾构隧道土体地表沉降特性

介绍了双圆盾构隧道这种新型隧道形式,与圆形盾构隧道相比,双圆盾构隧道具有占用地下空间小、施工效率高、掘削土量少等优点,但双圆盾构隧道引起的土体位移相对较大,影响范围也比较广。基于双圆盾构隧道的施工特点,通过计算圆形盾构的土体地表沉降,运用土体位移叠加法,研究了双圆盾构隧道引起的土体地表沉降的特性,建立了双圆盾构隧道直径、埋深和地层损失等因素与土体地表沉降的关系。结果表明:双圆盾构隧道的地表沉降槽的形态与圆形盾构隧道相似;双圆盾构隧道的地表沉降量大,影响范围广;双圆盾构隧道的地表沉降与埋深和直径之比有关。     

被动状态下地埋管线的地基模量

 地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

异形盾构隧道衬砌结构计算模型和受力特征研究

首先通过原型整环管片力学试验研究了异形盾构管片环向接头转动刚度随隧道埋深增加的变化规律。基于试验成果建立了异形盾构管片壳-弹簧计算模型,并将原型试验结果与修正惯用法和壳-弹簧模型进行对比,给出了异形盾构管片内力分布模式,明确了修正惯用法作为异形盾构管片设计方法的可靠性,并将壳-弹簧模型推荐为能较为科学地反映异形盾构管片实际受力特征的计算模型。最后,基于壳-弹簧模型从经济和力学两个角度对异形盾构隧道与矩形和圆形隧道进行对比,证明了异形盾构应用于浅覆土地层的科学合理性。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究

浅地层存在空洞是盾构施工导致土体位移过大的重要诱因之一。为有效计算土体位移,首先引入空洞收敛率,推导了空洞收敛变形造成的上部土体位移计算公式,再综合考虑双线盾构施工、空洞移动及收敛变形、正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、附加注浆压力的影响,推导了含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移计算方法,结合算例对不同盾构施工因素、空洞半径、空洞中心埋深、空洞位置影响下的土体位移规律进行了研究。研究结果表明,引入不同盾构施工因素能更精确的计算开挖面前方的土体位移;接近先开挖侧隧道的空洞会对土体位移造成更大影响;接近空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而减小,远离空洞的地表沉降量随空洞埋深的增大而增大。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

盾构穿越已建隧道影响的理论分析方法

结合工程实例,用Mindlin解析解探讨了盾构掘进过程对已运营隧道的影响,用镜像法理论基础上提出的半经验半理论公式对已建隧道处土体位移对盾构埋深的敏感性进行了分析,基于弹性地基梁理论,计算了已建隧道因盾构穿越引起的结构内力。     

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。     

远场剪切波作用下深埋矩形隧洞地震响应解析解

 既有理论针对土体与结构相互作用的地震响应研究一直集中在圆形隧洞截面,而就矩形隧洞的分析往往会增加动力计算的复杂性。基于拟静力法,采用复变函数理论和保角变换方法,推导获得远场剪切波作用下深埋矩形隧洞的地震响应解析解。该复变函数解答考虑了土体与隧洞间相互作用的剪应力和法向正应力,并针对保角转化函数引入修正系数,提高了在复平面转化时矩形隧洞截面表示函数的计算精度。结合数值模型验证解析方法的正确性,并对矩形隧洞归一化位移比和土体应力场变化进行参数分析。研究表明,通过引入修正系数,使得解析解精度得到一定提高,与数值模拟解答更为接近。矩形隧洞归一化位移比值随着隧洞衬砌与土体的相对刚度比值增大而减小,而随着截面尺寸比率的增大而增大。在矩形隧洞截面尺寸的比率和相对刚度比值一定的情况下,矩形隧洞的归一化位移比随着土体泊松比的减小而增大。当截面尺寸比率为1时(正方形隧洞),土体泊松比的变化对于隧洞归一化位移比值影响较小。矩形隧洞周围土体应力随着土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量的增大而减小,而随着衬砌剪切模量的增大而减小。     

盾构隧道叠交施工引起的土层位移场分布规律

考虑盾构隧道叠交施工之间的相互影响,应用边界单元法对相邻隧道开挖过程中的三种典型叠交位置关系,引起的地层位移场分布规律及相互影响进行分析。分析结果表明:单条隧道开挖引起的地表最大沉降值出现在隧道轴线的正上方,而两左右或上下相邻隧道开挖的地表及土层内部的最大沉降值则出现在两隧道的纵轴线之间,且偏向上方埋深较浅的隧道。隧道开挖引起的地层深层与浅层变形趋势是一致的,但在两隧道轴线上方深层土体的沉降要远比浅层土体大。叠交隧道的埋深及其相对空间位置关系对土层的位移场有较大的影响。     

软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律

 在城市环境中,如何预测和控制盾构掘进引起的地层移动以保证地下既有构筑物的安全,是设计和施工亟待解决的技术问题。以上海某盾构隧道施工段为工程背景,应用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究盾构掘进施工引起周围地层位移场的分布规律。研究结果表明：盾构掘进对周围地层位移场的影响主要分为接近、穿越和远离测孔3个阶段。在盾构掘进接近和穿越阶段,隧道侧向土体以隆起、沿盾构掘进方向向前和向隧道外侧的位移为主;在远离阶段,侧向土体则发生沉降、向前和向隧道内的三维运动趋势。由于该工程隧道埋深大,隧道中心上方土体主要发生沉降和向前的位移趋势。根据数值计算所得隧道上方不同深度土层的横向沉降槽曲线,建立用于预测隧道上方深层土体沉降的修正Peck公式,计算结果与数值结果吻合较好。     

盾构隧道穿越水底浅覆土施工技术对策

从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件着手，推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式，得到了盾构穿越水底浅覆土保持土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度。结合南京地铁南北线一期工程，提出超浅覆土情况下水底隧道盾构施工应采取的工程对策。并介绍了南京地铁试验段工程采取的措施及取得的效果。相关结论可供水底隧道、地铁区间隧道浅覆土进出洞盾构施工参考。     

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据,结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息,分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明,土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布;土体损失率随着埋深或深径比的增大,呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势,且两者关系可近似采用幂函数拟合;当H大于20m或H/D大于3.25时,土体损失率基本稳定在0.75%附近,且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应,说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失;土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大,且趋于稳定,说明固结变形对名义土体损失率的影响较大,最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。     

上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析

针对上海软土地区深埋盾构开挖所引起的土压力时效性发展规律,选取4倍直径埋深盾构,布设土压力全断面长期监测点,获取盾构开挖阶段及后期固结蠕变阶段的土压力数据,以得到深部地层的土压时效变化规律.通过现场试验可得,盾构开挖所采取的土仓压力按照理论静止土压力取值时,刀盘周围会形成半径为1～1.5D的被动土拱效应作用区域,土拱范...     

盾构掘进中深层土体变形实测分析与研究

盾构机掘进过程中不但会引起土层的沉降,而且会引起土层沿盾构机前进方向的纵向位移和垂直于隧道掘进方向的横向位移。土层产生的纵向位移和横向位移,与引起的土层沉降一样,同样会对建筑物、地下管线等设施产生不良影响,甚至使之破坏。因此,对深层土体位移的研究,具有重要的工程意义。对深层土体位移进行了监测研究,结果表明:盾构掘进引起的深层土体的位移与盾构掘进姿态、盾构机土仓压力、隧道埋深、土层性质等因素有关。在此基础上,提出了控制土体深层变形的措施。