盾构施工中隧道地层位移与土压力研究

分析了盾构壁后注浆体固化过程的力学性质,阐述了有限元分析法模拟盾尾注浆体的处理方法,对有限元分析法结果进行了分析。     

复杂地层隧道位移与应力变化规律研究

盾构隧道在不同地层中开挖,会改变其地表沉降规律。文章结合杭州地铁6号线穿复杂地层的工程实例,采用Flac3D软件进行数值模拟,研究盾构隧道穿越不同土层分布情况下的施工力学特性,对地表及管片位移、管片应力的变化规律进行分析,研究结果表明,盾构地表沉降符合peck沉降曲线规律,实际值比模拟值小12%。盾构在粘土层中地表沉降值比粉砂层大,盾构穿越观测面后18m范围内受扰动影响明显,开挖距离超过30m沉降趋于稳定。     

富水闪长岩地层中盾构隧道水土压力作用模式研究

迄今,在复杂的地质环境下,盾构隧道所受的水土压力尚难以精确计算。以济南地铁R2线为依托工程,选取2个代表性断面上实测的作用在衬砌结构上的水土压力,分析处于不同地质环境下掘进施工时盾构隧道管片水土压力的变化规律和分布特征。结果表明:1)在软硬不均的复合地层中,由于各土层物理力学性能的差异,盾构掘进约20环管片的距离后,测点处的水土压力才能基本稳定;2)对于正常固结的软黏土或粉质黏土,当覆土厚度大于2.5D(D为管片外径)时,已经产生土拱效应,采用Terzaghi松动土压力法计算较为合理。而对于覆土厚度小于1.5D的隧道来说,采用全土柱法较为合适;3)在上软下硬土层中,盾构隧道衬砌结构两侧的荷载并不对称,修正惯用法的荷载模式夸大了基底反力;4)不同埋深的两处断面的实测水压力值与理论静止水压力值基本相近。     

浅埋盾构隧道土压力浅论

本文采用数值分析的方法,研究了不同埋深下盾构隧道所承受围岩压力的变化规律,并与传统理论解进行了对比分析,提出了修正浅埋隧道围岩压力计算公式的一些建议。合理地评价盾构隧道垂直土压力的松动效应,对盾构隧道管片的合理设计具有一定指导意义。     

盾构隧道施工松动土压力计算方法研究

在盾构隧道施工中,因管片支护和注浆填充,隧道拱顶土体位移受限制,土拱效应不完全发挥,土体剪应力小于其抗剪强度,使得Terzaghi松动土压力理论不适用于盾构隧道。针对这一情况,在Handy理论基础上推导了土的侧压力系数计算公式,得出侧压力系数的变化规律,其值与主应力旋转角度相关,其大小在主动土压力系数和被动土压力系数之间变化;并认为土拱效应的发挥和隧道拱顶位移相关,据此,在Terzaghi松动土压力理论基础上推导了一种可以考虑地层损失和管片刚度的松动土压力计算公式;并通过对土拱高度的讨论,提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。     

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。     

局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型研究

对于越江海或富水地区的深埋盾构隧道而言,长期使用过程中管片衬砌局部渗水的情况时有发生,但现有的松动土压力计算理论很少考虑局部渗水的影响。对此,以管片接缝渗水为背景,基于前人的研究进行了地层渗流场解析;以Terzaghi土拱效应分析模型为基础,考虑深埋盾构隧道的松动区形状特性和地层渗流效应,提出了局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：渗水接缝位置离隧道拱顶越远,隧道顶部的松动土压力越大;地表水位线越高,接缝渗水对土拱的削弱效应越强;隧道顶部的松动土压力随着接缝渗水量的增加而增加;地层渗透系数越大,隧道顶部的松动土压力越小;相较于水土合算的方式,水土分算的结果中土拱效应更强;模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了模型的有效性。     

软土地层中的圆形隧道载荷模式研究

对圆形隧道作用荷载的影响因素，如隧道埋深、施工工艺以及计算方法等作了系统分析。通过对作用在上海软土地层中的3条隧道上的土压力实测值的分析表明，作用在隧道上的土压力值及其分布规律不仅由于隧道的施工方法（挤压盾构或者EPB盾构）有较大差异，而且在隧道的施工阶段和正常使用阶段也不同。在隧道施工阶段，挤压盾构法隧道衬砌呈现“竖鸭蛋”变形，而EPB盾构隧道衬砌则呈现“横鸭蛋”变形。根据经典的主动土压力理论和静止土压力理论计算出的隧道侧压力小于现场的实测值，且二者的偏差较大。根据本文提出的圆形隧道土压力的余弦变化规律理论对3条隧道的荷载进行计算，计算结果与实测值吻合得很好。     

砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

考虑尾隙的盾构隧道土压力离散元数值分析

采用改进的离散元商业软件PFC2D对砂土层中管片周围的土压力进行了大量的数值模拟,重点研究了埋深、尾隙等因素对管片周围土压力分布的影响。研究结果表明:尾隙存在时,隧道顶部的土体产生了不均匀沉降,导致压力拱效应的产生;隧道顶部至地表出现转动加剧区域;应力路径变化过程表明,隧道周围土体经历了先卸载后加载的变化过程;在应变路径变化曲线上可将管片周围土体的变形划分为三个变化阶段。     

太沙基隧道松动土压力研究

在假定土体满足莫尔-库仑破坏准则的基础上,通过分析太沙基松动土压力计算理论,揭示了其假定的滑动体位移模式中隐含着的侧压力系数K0与松动压力之间的关系,对传统的太沙基松动土压力计算公式进行改进。     

盾构施工引起超孔隙水压力变化分析研究

以上海市轨道交通10号线3标段国权路站～同济大学站区间工程为背景,对盾构在下立交底板下长距离推进时引起的超孔隙水压力进行了监测和分析。采用解析公式计算盾壳正上方超孔隙水压力并与实测值做了对比,表明塑性区的范围和塑性区内超孔隙水压力的主要影响因素是盾构土舱压力,但弹性区的超孔隙水压力最大值为a槡6Cu,与土舱压力无关。通过超孔隙水压力的监测可以指导土舱压力的调整,避免过大的沉降。     

土压平衡盾构土仓压力设定与控制方法探讨

利用现有的土力学理论,对土压平衡盾构推进与停机两种状态下开挖面前方土压力与土仓内土压力类型进行了分析。通过理论计算和分析,提出了根据开挖面前方地层的地质条件和沉降要求等进行土仓压力设定的方法,指出了当土仓内土体与开挖面前方土体基本一致时,土仓压力很难与开挖面前方土压力基本相同。通过理论分析,提出了土仓压力控制的方法,以及采取土仓内土体改良、注入泡沫或高压气体形成气压、严格控制出土量等控制土仓压力的技术措施。     

地铁EPB盾构不同地层土仓压力设置问题研究

根据南京地铁一号线玄武门站～南京站站区间隧道EPB盾构掘进参数以及地表累计沉降等反馈信息,重点对盾构穿越不同地质条件时如何合理设置土仓压力进行了研究。利用ANSYS建立了三维有限元模型,对盾构掘进过程进行了模拟,对土仓压力高低与地表隆沉之间的关系作了定性分析,依据土仓压力偏高或偏低对工程的实际影响和危害,提出了在富水软土地层土仓压力设置的原则;对EPB盾构在不同地层条件下的土仓压力和地表监测资料作了分析,得到了在南京粘性土和砂性土中土仓压力设置的经验公式和相应参数的取值,其结果可供今后类似工程参考。     

土压平衡盾构在砂卵石地层长距离穿越河流施工关键技术

从盾构机的改造,浆液配比试验,渣土改良等几个方面论述了土压平衡盾构隧道长距离穿越砂卵石地层并穿越河流的施工技术。在试掘进阶段对盾构掘进主要控制参数包括推进速度、刀盘推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、注浆参数等进行了调整。在掘进过程中严格按照试掘进阶段的参数执行。实施效果表明,完全达到了刀盘刀具的耐磨性要求,保证了盾构机在砂卵石地层中长距离穿越河流的安全。     

土压力的理论研究

通过大量国内外文献资料分析,对刚性档土墙和柔性挡土墙土压力计算方法分别从理论研究和实验研究两个方面所取得的进展进行了论述。针对土压力计算中的关键问题如接触问题、施工工序、位移时间效应等进行了重点讨论,并对土压力的今后研究和发展方向提出了展望。     

富水软弱地层EBP盾构掘进土质改良与舱土压力控制研究

针对富水砂土与粘土地层,分别采用聚氧化乙烯(PEO)和聚丙烯酸钠(PAAS)两种新型材料作为土质改良剂,取得了很好的改性效果,并提出了舱土压力比客重管理的新概念和方法,克服了以往舱土压力控制技术的不足,实现了对舱土压力精确科学的管理,经应用实践表明,可避免掘进风险和保证开挖面稳定,为EBP盾构在富水软弱地层中安全掘进提...     

考虑盾尾注浆隆起的盾构掘进地面位移预测

通过对3个盾构隧道工程实例中盾尾注浆引起的地面隆起的分析,对比了Mindlin解、Sagaseta法、Verruijt-Booker法、Loganathan-Poulos法、Chi法和Park法6种解析方法及高斯公式预测盾构掘进盾尾注浆引起的地面隆起的适用性,并结合工程实例给出了考虑注浆地面隆起后盾构掘进地面位移计算的修正Peck公式.分析表明:盾尾注浆引起的横断面地面隆起曲线,可以用高斯公式和Chi法较好地拟合,在确定注浆隆起宽度参数Kh和沉降影响角β的经验取值后,可预测盾构注浆隆起.考虑注浆隆起的修正Peck公式,可合理地预测包含注浆隆起在内的盾构掘进引起的横断面地面位移.     

盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响

通过三维有限元方法对盾构近距离下穿越已建隧道的数值仿真模拟,得出盾构穿越施工时已建隧道随各进尺开挖的的沉降规律及施工影响特点,并根据实测反馈数据进行了对比分析,为合理确定施工方案和已建施工技术保护措施的选择提供可靠的依据.     

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。