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。     

朝上盾构施工引起土体变形的数值模拟研究

朝上掘进盾构机从水平隧道始发向上掘进过程中,会导致周边土体变形。采用三维有限元模拟软件MIDAS GTS NX对过程进行建模,利用网格激活钝化、改变网格参数与属性的方法,模拟朝上掘进盾构施工的实际过程,得到隧道周边土体的变形规律,研究不同竖向隧道长度、不同朝上盾构掘进速度等因素对土体变形造成的影响。研究结果表明,在朝上掘进盾构的掘进过程中,地表土体离竖井中心点距离越近,其沉降呈现出先增加后减少,甚至隆起的情况,水平位移相比于竖向位移改变量较小;竖向隧道长度越长,土体及水平隧道因盾构向上掘进产生的扰动就越大;而施工时朝上盾构掘进速度越慢,对于土体的竖向扰动影响就越小。     

基于位移控制边界单元法盾构隧道开挖引起分层土体变形分析

 考虑地基土体非均质性的影响,基于弹性层状半空间地基模型,提出分析多层地基中盾构隧道开挖引起周围土体不排水变形的位移控制边界单元法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中进行求解的状况。针对盾构隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移移动模式,建立层状地基中洞周边值问题的边界积分求解方程,并采用高阶等参单元代替低阶常分布单元得到边界离散方程,同时以弹性层状半空间地基模型的基本解代替常规均匀介质体的Kelvin或Mindlin基本解,最终求得隧道洞周给定位移条件下的土体位移场。算例分析表明：位移控制边界单元法在计算均质地基和非均质层状地基中都具有较好的精度;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理评估盾构隧道施工对周围环境的影响提供一定的理论依据。     

隧道下穿时地表房屋变形开裂的定量评估

 城市隧道下穿时,普遍存在着地表房屋变形超限、倾斜开裂等风险控制难题,结合厦门机场路隧道下穿建筑群的工程实践,分别采用W-W破坏准则、屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对地表房屋变形开裂进行定量的计算与评估。计算结果表明：屈服接近度模型实质为广义的塑性区,其结果为定量的房屋开裂安全度分布;Mazars损伤模型为典型的拉损伤模型,根据其损伤变量的大小,可以对应地评估房屋开裂程度。同时,分别基于屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对隧道下穿过程进行数值模拟,二者结果均较好地反映了房屋变形开裂过程与施工过程的非线性相关性,由此实现了对房屋变形开裂全过程的量化评估与控制。研究结果显示,开裂过程的计算评估结果与现场房屋裂缝、变形实测结果一致性良好。     

复变函数法分析盾构隧道开挖引起的土体位移和衬砌变形

盾构隧道开挖引起的地层变形历来是人们所关注的重要课题。目前,既有成果较少考虑隧道衬砌与土体相互作用所带来的影响,尤其是较少针对衬砌变形进行分析,就此基于隧道椭圆化变形边界条件,提出了考虑衬砌与土体两种不同介质相互作用下的地层位移和衬砌变形复变函数解答。在该方法中,隧道埋深只影响共形映射后圆环域的环壁厚度,而解析区域依然保持圆形,具有不会对函数解析产生影响的优势;此外,该法经共形映射后保证了边界连续性,避免了既有应力函数法为保证隧道扰动土体无穷远处位移为零,而对解析解进行修正所导致物理意义不明确的缺陷。通过实例分析,得到了隧道开挖引起的地表沉降,并与实测数据进行了对比验证;通过参数分析,获取了扰动地层和隧道衬砌变形的影响规律。结果表明:复变函数解答得到的土体位移曲线与实测值吻合较好,且地表最大沉降值更接近于实测值;隧道的埋深和半径对土体位移和衬砌变形均有较大影响,衬砌厚度对其影响虽然较小,但仍不可忽略;衬砌径向位移曲线呈仰卧的鸭蛋形,关于90°/270°轴对称,拱顶和拱底被压扁,拱顶压缩量明显大于拱底,左、右两侧压缩量小于上、下两侧,表现为收缩之后又被压扁向左、右两侧突出,且随着埋深的增大,衬砌整体上浮;衬砌环向位移曲线呈侧立的苹果形,关于0°/180°轴对称,且在90°和270°处取值为零,随着隧道埋深的增大,环向位移绝对值增大。     

盾构下穿引起的既有地铁隧道变形分析

北京地铁某区间盾构下穿既有地铁隧道工程,在开工前期,运用MIDAS/GTS三维有限元分析软件,对盾构下穿施工可能引起的既有地铁隧道结构变形进行了三维模拟分析,并评估了既有地铁隧道结构的安全性,提出了盾构下穿既有地铁隧道结构变形控制标准;施工期间对既有地铁隧道结构进行了现场监测,结合数值分析结果综合分析了既有地铁隧道结构变形情况,并根据实际监测数据,对比分析了预测结果与实际监测结果的差异,验证了模拟预测的可靠性。     

邻近隧道的岩质深基坑开挖影响研究

目前基坑开挖对邻近隧道的影响研究主要集中于软土地层,在土岩组合地层当中研究较少。以重庆临江门开挖深度近30 m、邻近隧道的岩质深基坑工程为例,运用数值模拟方法与工程现场监测成果对基坑开挖所造成的影响进行分析研究。研究结果表明：岩质基坑变形总体较小,支护桩加分阶预留岩墙作为围护体系比较有效,支护结构变形主要集中于土层部分;有邻近隧道时,拱圈所对应支护桩弯矩比无隧道时要大,直墙段所对应支护桩弯矩比无隧道时要小;由于受连续介质及隧道几何形态的影响,隧道会改变位移场传递的方向,并且竖直方向改变大于水平方向,隧道主要表现为横向变形。衬砌拱顶、左拱脚、左墙中的弯矩明显增加,隧道具有明显的偏压效应。     

隧道上方土体开挖对软基隧道结构影响规律分析

依托苏州轨道交通1号线工程,采用数值计算研究隧道上方基坑开挖对隧道结构受力、变形的影响规律,收集了软土地区18个隧道上方基坑开挖的案例,从残余土体高度、施工措施等方面与数值计算结果进行了对比分析。结果表明:隧道上方基坑开挖主要影响隧道竖向位移,表现为隆起变形;随基坑开挖深度的增加,隧道竖向变形不断增加,轴力不断减小,弯矩先减小后增大;在不考虑加固的情况下,残余土体高度是影响隧道竖向位移的重要因素,随着残余土体高度的增加,隧道竖向位移呈指数型下降;三轴搅拌桩加固、抗拔桩、分块施工是较为有效的隧道抗隆起措施。     

隧道施工引起土体变形计算参数研究

隧道施工引起土体变形的扩散传播计算模型认为,模型参数B反映土体变形的扩散程度,但是由于隧道中心线上的沉降分布数据不易测得,其拟合反分析方法不适用于大多数案例。为了进一步研究模型参数B的取值以及与土体性质的关系,在土体变形扩散传播计算式的基础上,推导了假设隧道上覆土体不发生体积变化的扩散系数B的简化计算公式,利用案例实测数据反分析得到参数B的取值,总结了参数B与土体性质的关系,得到了参数B在不同类型土体中的取值范围及其与土体压缩模量之间的近似关系。     

盾构下穿既有隧道对土体及结构变形的影响

近几年随着城市地铁的快速发展,地铁盾构施工不可避免地会下穿既有建(构)筑物,因而会对土体及相邻结构产生影响.依托于南京地铁5号线下关站—建宁路区间段盾构施工项目,采用三维有限元数值分析方法,模拟计算了盾构下穿既有隧道引发的土体和结构变形规律,并讨论盾构与既有结构距离对土体变形及结构的影响.研究结果表明:盾构下穿既有隧道...     

接触元初始刚度系数对软土深基坑变形的影响分析

 用Goodman 单元模拟土与结构的相互作用, 并结合上海黄浦江行人隧道浦西竖井深基坑工程, 利用有限元方法分析了Goodman 单元的刚度系数对地下连续墙的位移、墙后的地表沉降的影响, 对软土深基坑的数值计算和信息化施工时接触元刚度系数的选取具有重要意义。     

超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究

 依托南京长江超大直径泥水盾构隧道工程,通过在始发试验段埋设地表沉降观测点、测斜管、土压计力及孔隙水压力计,进行相应项目的试验。研究泥水平衡盾构掘进各阶段对土体的扰动机制、扰动规律、影响范围以及影响程度。分析得出应力扰动度与距离之间的相关关系,在此基础上计算出盾构推进对土体的显著应力扰动区域(应力扰动度≥5%)为盾构外侧16 m(约一倍洞径)。建立切口压力、同步注浆压力与地表沉降之间的数学模型,进一步修正Peck公式,使之能更好地预估泥水盾构掘进引起的地表沉降。最后结合盾构掘进参数,探究减小土体扰动的措施。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

两平行近距顶管施工开挖数值模拟分析

顶管工艺由于其自身的特点,在我国有着广泛的应用领域,其对周边环境的影响一直是工程界关注的重点之一。本文以某近距平行顶管通道工程为背景,采用三维有限元建模分析了两条顶管先后顶进施工对地层变形的影响规律,所得结论可为实际施工参数及施工工艺的调整提供理论指导。     

盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究

假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解,推导正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式;提出土体损失引起的三维地面变形计算公式。将正面附加推力、摩擦力和土体损失引起的地面变形计算公式叠加,得到盾构施工引起的地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,该方法的计算结果与实测值相当吻合。盾构施工引起的纵向地面变形曲线呈“S”形;隧道开挖面上方处轴线两侧的地面产生隆起现象;在正常施工时,盾壳与土体之间的摩擦力对地面变形的影响远大于正面附加推力。     

管线渗漏水范围对浅埋隧道围岩变形和破坏的影响

 管线渗漏水是城市浅埋隧道施工安全事故的重要诱因,明确管线渗漏水对浅埋隧道围岩变形和破坏的影响规律是安全事故防控的基础。针对VI级围岩浅埋地铁隧道,采用平面应变模型试验研究管线渗漏水范围对围岩变形和破坏的影响规律。试验结果表明：(1) 管线渗漏水作用下,隧道尚未开挖就产生明显的地表沉降,随着渗漏水范围的增加,地表沉降值和沉降范围也随之增大,但当管线渗漏水范围到达拱顶后,其继续增大对地表沉降的影响程度明显减弱。(2) 管线渗漏水作用下,隧道开挖前地表即产生明显的竖向裂缝,随着地表沉降的增加,裂缝的深度和宽度均同步增加;隧道开挖后,地表竖向裂缝的深度和宽度随地表沉降的变化速率较隧道开挖前有所减小。(3) 管线渗漏水范围越大,隧道开挖后造成地层破坏的程度越剧烈;小范围管线渗漏水情况下,管线渗漏水范围对围岩破裂面形状的影响不大;中等范围和大范围管线渗漏水情况下,管线渗漏水范围的包络线和围岩破裂面高度吻合,且破裂面相对于无渗漏水影响的情况更为陡峭。     

北京地区浅埋暗挖法下穿施工既有隧道变形特点及预测

 城市地下工程建设中,新建隧道近距离下穿施工对既有隧道造成的扰动不可避免。正确分析及可靠预计既有隧道变形成为目前地下工程建设的热点问题。在预测隧道开挖引起的地表位移的经验法中,Peck公式最简便,应用也最为广泛。搜集北京地区10个近接下穿工程23组数据,对既有隧道实测变形进行拟合,发现绝大多数符合Peck公式分布规律。拟合得到地层损失率为0.116%～1.183%,沉降槽宽度系数为0.93～6.76。讨论新建隧道施工工法、辅助施工方法、新建隧道与既有隧道的埋深、既有隧道刚度、新建隧道双洞间距、变形缝位置等因素对经验参数的影响,给出经验参数的修正公式。将经验参数修正公式与Peck公式相结合,为北京地区受新建隧道下穿施工影响的既有隧道变形提供一个简便、快捷的预测方法,并通过工程实例验证了预测方法的有效性。研究成果可对未来北京同类工程和其他地区近接工程设计和施工提供参考,同时对丰富同类工程数据库具有重要意义。     

盾构施工过程中的土体变形研究

 基于盾构施工过程,利用弹性力学Mindlin解,通过坐标变换经积分推导刀盘与土体之间摩擦力所引起的地面变形计算公式,并得到盾构施工引起的总地面变形计算公式。结合杭州地铁一号线工程中具有代表性的粉砂土层,分析盾构与土体的复杂相互作用,并对盾构与土体相互作用引起的土体变形特征进行计算。通过计算发现,盾构施工中盾壳摩擦和正面推力是盾构推力设置的主要因素,而刀盘与土体摩擦是刀盘扭矩设置的主要因素,盾构前方土体隆起主要由盾壳摩擦引起,刀盘摩擦作用主要引起地表沉降的非对称分布,地表沉降主要由盾尾空隙产生。通过实例计算并与实测结果对比发现,使用盾构变形计算公式适用范围在盾构机头前后±2L距离处,对指导实际盾构施工具有重要意义。