盾构隧道施工时地层沉降模型试验研究

随着我国经济的发展,地铁已成为改善城市交通拥堵状况的主要途径之一。但地铁隧道的施工却又不可避免地带来诸多安全隐患,例如,由于隧道施工时土层的沉降,导致管线的破裂。本文旨在通过室内大型模型试验研究地铁盾构隧道开挖时上覆土层的沉降分布特征,分别测定不同深度地层的沉降值,通过对试验数据的分析与整理,得出沉降沿地层深度的分布规律。结果表明:同一深度的地层沉降基本符合peck公式曲线;地层沉降槽的宽度值i不会随沉降量的增加而变化,只与该地层的所处深度有关;并根据试验得出沉降槽宽度i的经验公式。     

盾构隧道致地层沉降的物理模型试验研究

通过不同隧道埋深、支护压力和掘进速度的盾构隧道施工地表沉降的大型物理模型试验,总结不同条件下的地表沉降规律,分析土压力的变化特性,归纳不同条件下的地表沉降曲线;探讨隧道埋深、支护压力和掘进速度对地表沉降值的影响,推导地表横断面沉降槽计算的经验公式.结果表明:随着隧道埋深增加,地表沉降值减小,地表横向沉降槽影响范围加宽;...     

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。     

黏土中隧道开挖引起的地表及地表以下土体长期 沉降计算方法

基于 Mair 提出的隧道开挖引起的土体瞬时沉降的理论以及进行的有限元数值模拟结果,推出地表及地表以下不同深度土体长期沉降的计算方法。首先模拟了 Ong 的离心机试验以验证数值模型的合理性,然后对隧道开挖引起的不同深度处土体长期沉降问题进行了模拟研究,建立了长期和瞬时情况下地层损失率之间的关系,并推导出长期情况下各深度处沉降槽宽度系数和最大沉降值的计算式,从而可确定沉降槽的形状。经与现场实测资料和数值模拟结果对比,验证了方法的合理性,可作为实际工程的借鉴。     

黏土地层盾构掘进速度对地表沉降影响研究

对盾构掘进速度的控制是盾构施工控制的重要环节,但针对盾构掘进速度与地表沉降关系的研究较少,文章以常州地铁2号线盾构区间施工为背景,分析了常州黏土地层下盾构掘进速度对表沉降的影响特点。通过对其地表监测数据的整理分析,结合盾构掘进施工日志,提出一种可对同步注浆、二次注浆、土舱压力、盾构掘进速度等进行定量分析的数值模拟方法,设计模拟工况对盾构全过程进行模拟研究,得到STEP计算步数与盾构掘进速度之间的对应关系,建立常州黏土地层下盾构掘进施工的掘进速度造成地表沉降预测曲线。研究结果表明：掘进速度较快时其造成的地表沉降更小,且当掘进速度在20～50mm/min时利用数值模拟得到黏土地层下掘进速度v—地表沉降h关系的预测曲线：h=6.5/{1+86.2［(v-19.5)/27842.7］0.464},其预测效果较好。     

Artificial neural networks for predicting the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling

Numerous empirical and analytical relations exist between shield tunnel characteristics and surface and subsurface deformation. Also, 2-D and 3-D numerical analyses have been applied to such tunneling problems. Similar but substantially fewer approaches have been developed for earth pressure balance (EPB) tunneling. In the Bangkok MRTA project, data on ground deformation and shield operation were collected. The tunnel sizes are practically identical and the subsurface conditions over long distances are comparable, which allow one to establish relationships between ground characteristics and EPB – operation on the one hand, and surface deformations on the other hand. After using the information to identify which ground- and EPB-characteristic have the greatest influence on ground movements, an approach based on artificial neural networks (ANN) was used to develop predictive relations. Since the method has the ability to map input to output patterns, ANN enable one to map all influencing parameters to surface settlements. Combining the extensive computerized database and the knowledge of what influences the surface settlements, ANN can become a useful predictive method. This paper attempts to evaluate the potential as well as the limitations of ANN for predicting surface settlements caused by EPB shield tunneling and to develop optimal neural network models for this objective.     

土压平衡盾构掘进对散粒体地层扰动和开挖面破坏特性研究

 采用自主研制的? 800 mm土压平衡盾构掘进试验系统,对砂卵石与砂土地层开展室内缩尺掘进试验研究,以分析土压平衡盾构掘进对地层的扰动特征;同时,针对室内缩尺掘进试验,开展离散元数值模拟以分析盾构掘进开挖面的变形与破坏形态。研究表明：砂土地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“圆形漏斗”状,砂卵石地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“V型河谷”状;砂卵石地层地表横断面沉降槽宽度系数相比砂土地层要小;2种地层地中沉降槽宽度参数都随地中深度比的增加而呈线性增大,相同深度比条件下砂卵石地层地中沉降槽宽度参数要小于砂土地层;砂土地层沉降时间效应曲线较为渐进和连续,而砂卵石地层则呈现突变性;2种地层开挖面破坏形态均为烟囱状,但砂卵石地层的开挖影响范围无论在横向还是纵向上都要小于砂土地层。     

长沙地铁典型地层盾构施工地表沉降分析与预测

分析了长沙地铁二号线沿线地层特征,以及盾构施工状况,基于长沙地铁土压平衡盾构穿越典型地层100多个地表沉降观测断面大量的地表沉降实测数据的统计分析,探讨采用Peck公式预测长沙地铁施工引起的地表横向沉降槽的可行性,得出了预测长沙地铁土压平衡盾构施工引起的地表沉降基本参数的取值范围,即地表沉降槽宽度系数(K)0.3-0.6,地层损失率0.5%-1.25%。应用本文获得的地表移动参数,采用Peck公式可以较好预测长沙地铁施工引起的地表沉降,及其对于邻近结构物的影响。     

土压平衡盾构掘进对上软下硬地层扰动研究

 采用Ф800 mm模型盾构开展室内掘进试验以研究土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征,试验充分考虑土压盾构动态施工全过程的影响。建立与室内掘进试验对应的离散元模型定量分析软土超挖现象并挖掘其他地层扰动信息。研究结果表明：土压盾构在硬岩地层中掘进时地表沉降曲面呈现向软土侧展开的“扇面”状;进入上软下硬地层后地表沉降值与范围均急剧增加,沉降曲面呈现自上而下逐渐收缩的“漏斗”状,硬岩侧收缩速度快于软土侧;上软下硬地层地表位移小于均质软土地层,而地中沉降显著大于后者;上软下硬地层地中沉降槽宽度参数沿深度方向呈指数增加,硬岩占断面比例越小,地中沉降槽宽度参数越大。相同埋深条件下,上软下硬地层地中沉降槽宽度参数小于均质软土地层。硬岩占断面比例越大,渣土中砂土所占比例与相应理论值差异越明显。地表水平位移在竖向沉降槽曲线反弯点处最大。研究可为土压盾构在上软下硬地层施工提供参考。     

盾构施工引起的横向沉降模式及其识别

地表沉降是盾构施工质量及环境控制的重要指标。然而由于具体施工参数、地质条件及地表边界条件的复杂性和不确定性,实测地表沉降大小及其分布形态往往与理论、经验的预测结果之间存在较大的差异,正确解读这种差异性,分析其隐含的物理、力学意义,对信息化施工控制意义重大。鉴于此,根据大量实测数据以及盾构施工力学原理,归纳提出几种常见的典型沉降曲线模式,并将其形态特征与施工工况条件对应起来,可以将实测地表沉降数据的变化及时、科学地解读出来并指导施工合理进行。此外,由于施工数据与监测数据量巨大且离散性大,人工模式识别需要实时在线且经验丰富的专家,且存在耗时长、工作量大等缺点,针对这种情况,本文建立的计算机模式识别和远程数据传输可有效解决该问题,且经过工程实例验证是可行的。     

基于改进BP网络的盾构隧道开挖地表沉降预测

盾构隧道施工中引起的地表沉降是衡量开挖方式是否合适的关键指标。文中在介绍BP神经网络及盾构施工引起变形情况的基础上,对基于BP神经网络的盾构隧道开挖引起的地表沉降预测进行了研究,考虑了训练样本中奇异数据的剔除,采用变步长的方法,并选取适当的动量项系数,综合考虑各种影响因素,建立了盾构隧道开挖引起的地表沉降预测的BP网络模型,并对广州地铁二号线进行了具体的预测分析。分析结果表明:理论计算结果与工程实际情况一致,误差小于5%,所建立的预测模型是令人满意的。     

盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方地面工后沉降进行研究,结果表明,土体开挖卸荷引起应力释放,产生初始超孔隙水压力,其分布呈三角形。假定衬砌不排水、土体为单面排水、压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到地面工后固结沉降的理论计算公式。假定地面长期沉降主要由施工期间沉降和工后固结沉降组成,进而得到地面长期沉降的理论计算公式。算例分析结果表明：该方法的预测值与实测值非常吻合;上海软土地区盾构隧道施工引起的地面长期沉降相当显著,最终地面沉降量在80 mm以上,固结沉降占总沉降量的80%～90%;按最小覆土深度5 m计算,需要2 a以上地面沉降才能最终稳定。     

基于能量法的双圆盾构施工引起管线沉降计算

引入隧道与开挖面的相对位置系数α,研究双圆盾构施工在不同工况下引起的深层土体沉降计算公式,以土体沉降计算公式为基础建立能量变分方程,得到双圆盾构施工引起地下管线沉降的计算方法。通过算例对比分析4种典型工况下管线沉降的分布规律,验证公式推导结果正确性,并进一步分析了管线埋深和土体损失率等因素对管线最大沉降的影响规律。研究结果表明:本文方法计算3种正常工况下的管线沉降曲线满足正态分布,旋转工况下管线沉降分布不均匀,最大沉降向下沉隧道侧偏移,另一侧的沉降量则相对较小;土体损失率对管线的沉降有较大影响,而管线埋深对管线沉降的影响则相对较小。     

复杂环境下地铁隧道盾构施工诱发地表土体变形的智能预测

在复杂地质环境下,地铁盾构施工参数会有较大不同,使得施工过程中的地表沉降难以控制.常规的监测手段具有滞后性,难以应对突发情况.基于此,本文提出基于BP神经网络地铁隧道盾构施工诱发地表土体变形智能预测模型,通过与杭富城际铁路11标段盾构施工时的地表沉降、右线沉降和左线沉降的实测数据对比发现,BP神经网络能够准确预测复杂环...     

盾构施工引起地表沉降的影响因素分析

在Loganathan公式的基础上,利用正交试验方法,分析了盾构施工中注浆填充率、支护压力比、偏心率、盾构埋深4个因素对地表沉降的影响程度,分析结果可以为施工提供重要的指导。     

不同施工工况下双圆盾构引起的土体沉降研究

采用随机介质理论,推导出双圆盾构隧道施工时正常工况和旋转工况下由于土体损失引起的土体沉降计算公式。算例分析表明：本文方法地面沉降预测结果与实测值比较吻合;旋转工况下双圆盾构隧道施工引起的土体沉降曲线呈不对称,最大沉降值出现在向下旋转一侧,能较好的解释实测地面沉降曲线不对称的原因。在相同土体损失率时,与正常工况相比,旋转工况产生的最大沉降量变小,但沉降槽宽度变大。两者引起的土体沉降沿深度变化规律也有区别。     

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。     

Soil deformation induced by Double-O-Tube shield tunneling with rolling based on stochastic medium theory

The prediction of soil deformation during tunneling is very difficult for Double-O-Tube (DOT) shield tunnel construction, especially for the shield rolling. According to the characteristics of DOT shield tunneling and rolling, a calculation model of soil deformation due to tunneling-induced ground loss was established. Based on the stochastic medium theory, the theoretical solutions of soil deformations considering the rolling of DOT shield machine were derived by polar coordinate transformation and multi-subdomain integral method. The predicted surface settlement from the proposed solution is better agreement with the observed data than those obtained by the two previous methods (namely the equivalent excavated-area method (EAM) and the simple superstition method (SM)). In addition, only ground surface settlement can be estimated under no rolling of DOT shield machine using the two previous methods, while this proposed solution owns great progress in solving the subsoil deformation and the influences of rolling. In order to further study the influence of DOT shield rolling angle on soil deformation under different engineering conditions, the parameter sensitivity analyses regarding the tunnel depth h, the ground loss parameter ɛ and the influence zone angle β₀ were extensionally discussed.     

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。     

地铁盾构隧道下穿建筑基础诱发地层变形研究

城市繁华地区地铁盾构隧道施工常需从建筑基础下穿越,如何确保上部建筑与隧道结构安全是施工中的难题。基于沉降预测理论及FLAC3D进行了地铁施工诱发地层环境损伤评估与控制设计STEAD系统的开发,以广州地铁区间隧道下穿某7层框架结构建筑为例,采用数值模拟研究了地铁盾构隧道穿越建筑基础诱发地层变形的空间效应问题,考虑了不同工况下隧道施工引起地层沉降对该建筑物的影响,采用本研究建议,盾构隧道成功穿越该建筑物,实测证实了变形空间效应研究的科学性与有效性。