盾构开挖面土仓压力对地层变形影响分析研究

本文以地铁区间盾构隧道施工为背景,采用有限元分析法,应用有限元软件研究了盾构推进过程中开挖面土仓压力的变化对周围土体变形的影响情况,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比分析,得到了开挖面土仓压力的变化对工作面上土体以及盾构前方地表的影响的变形规律。分析结果表明:盾构推进引起的地表竖向位移最大值分布于隧道轴线上;开挖时开挖面土仓压力应控制在2.4bar～2.8bar;土仓压力过大会导致前方地表产生隆起,所以土仓压力不宜大于2.8bar。     

浅埋条件下盾构施工参数对地层扰动影响研究——以福州地铁4号线某路段区间盾构隧道施工为例

以福州地铁4号线化工路站～福新东路站区间盾构隧道穿越软土地层施工为背景,采用数值模拟方法,建立了考虑土仓压力、刀盘-土体摩擦扭矩、注浆压力、盾壳-土体摩擦力的盾构动态开挖模型,研究了浅埋条件下各施工因素对周围土体的扰动规律。结果表明:盾构开挖过程,在土仓压力和盾尾注浆压力等因素的综合作用下,开挖空间上方地层出现先隆起后沉降的变化过程,一侧土体则在盾构开挖过程逐渐外扩,沉降及水平位移最大值分别出现在开挖轴线的竖向和水平面上;土仓压力和盾尾注浆压力的增加有利于减小地层沉降值,但对应侧面土体水平位移有所增大,刀盘与盾壳和土体间摩擦力的增加会进一步增加上部地层沉降和侧面土体水平位移,施工过程应根据地层变形控制要求,合理调整土仓压力和盾尾注浆压力,同时降低机械与土体的摩擦。     

考虑多因素的类矩形盾构施工引起土体竖向位移研究

基于Mindlin位移解和随机介质理论,考虑正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力、附加注浆压力和土体损失,研究类矩形盾构施工引起的土体竖向位移及各因素的影响。研究土体损失的过程中引入了开挖面收敛模式参数α和纵向损失率修正公式。研究结果表明:考虑多因素的土体竖向位移预测值与实测值较吻合,能反映出纵向地表沉降曲线在开挖面附近及后方地表出现隆起和沉降逐渐发展的过程;随着深度的增加土体沉降值增大;隧道轴线两侧的土体沉降增量要大于轴线正上方,沉降曲线呈W型。该方法也可以用于分析土仓压力不均的工况,此时开挖面前方的沉降曲线不再对称;正面附加压力减小,开挖面前方地表沉降值增加,反之,沉降值减小。     

盾构隧道开挖引起的土体位移有限元分析

为了研究某地铁隧道过江段开挖施工引起的土体位移变化情况,建立了隧道盾构施工的有限元模型,基于生死单元法模拟了过江段盾构隧道开挖过程,计算了盾构施工不同阶段的土体表面沉降量及土体竖向和横向位移沿深度变化情况。研究表明土体位移随盾构开挖过程逐渐变化,竖向位移沿地表至隧道埋深处逐渐增加,隧道位置处的侧向位移量最大,且土体位移与盾构参数有密切关系。     

盾构隧道施工过程建模影响因素分析

为研究盾构隧道施工过程建模影响因素及其影响程度,首先,综合隧道开挖过程中盾构机前体与岩土体影响因素耦合作用分析,构建盾构隧道开挖过程仿真模型,给出地表沉降和隧道垂向应力;然后,进一步模拟去除其中一种因素的隧道开挖过程,求出相应的地表沉降和隧道垂向应力;最后,基于傅里叶变换对各种情况下地表沉降量和应力应变状况进行比较分析,找出各因素对建模的影响程度。结果表明:一方面,建模过程中各种因素对地表沉降的影响大于对隧道垂向压力影响;另一方面,盾构机推进给开挖面土体压力、盾尾灌浆延迟管片拼装造成的暂时性土体支撑力不足、盾构机刀盘转动给开挖面土体扭力等因素对模型解算造成的影响最大。本研究对提高盾构隧道施工过程建模的准确性和实效性,指导盾构隧道施工具有重要指导作用。     

富水超厚砂卵石层浅埋泥水盾构隧道地表沉降因素分析

本文以广州轨道交通十四号线一期工程为背景,进行富水超厚砂卵石层浅埋泥水盾构隧道地表沉降因素分析。利用限元软件MidasNX建立盾构隧道开挖三维有限元模型,模型中综合考虑土体分层、土体的非线性、盾构的顶推力、盾构管片、盾构壁厚等因素,对盾构隧道开挖过程进行了数值模拟,研究盾构隧道施工对地表变形的影响,并对不同覆土厚度、注浆压力、注浆层厚度、掘进压力等主要施工因素进行了模拟分析,探讨了在富水超厚砂卵石层浅埋泥水盾构隧道中,以上因素与地表沉降变形关联的规律和原因,旨在起到优化设计、指导施工的作用。     

砂卵石地层盾构施工对地层扰动与地表沉降的影响分析

以成都高漂石含量砂卵石地层为研究对象,采用PFC2D模拟了双线隧道盾构掘进时对砂卵石地层的扰动规律,并通过Midas有限元模拟分析了双线隧道盾构掘进时的地表沉降规律.结果 表明砂卵石地层在掘进过程中将形成一个倒三角的松动区,并引起掌子面前方土体向此区域移动,最终形成楔形移动面;同一里程处隧道引起的地表沉降随着盾构推进呈增大趋势,根据监测数据显示,地表沉降规律与模拟结果基本一致;双线盾构施工时,左右两侧的地表沉降相互影响,最大沉降位置将随着开挖方向发生偏移,并呈中心轴线沉降量最大,两侧地表沉降亦呈现出基本对称分布的规律.     

大直径高铁跨海盾构隧道下穿典型建筑物研究分析

依托广湛高铁湛江湾海底隧道下穿典型建筑物工程,通过有限元软件MIDAS建立隧道—土体—建筑物精细化数值模型,研究盾构隧道动态施工过程中地表土体以及建筑物的纵向变形规律,并通过现场实测结果验证了模型的合理性。结果表明：刀盘前方地表土体以隆起变形为主,刀盘后方地表土体以沉降变形为主;地表建筑物隆起变形规律可分为缓慢隆起、快速上升、轻微沉降和轻微隆起四个阶段;盾构隧道施工对地表既有建筑物的轴力影响较小,其造成的土体变形是引起地表建筑物变形的主要因素。最后结合数值模拟结果与工程实际,提出实时监测、优化施工参数、土体加固与同步注浆四种地表建筑物变形控制措施。     

圆砾地层双线盾构施工参数及沉降特征分析

以南宁地铁一号线广白区间盾构施工为背景,采用有限元软件对双线盾构施工过程进行了全过程模拟,并通过与实测数据的对比分析,揭示了圆砾地层双线盾构施工的地表沉降特征,及不同开挖面压力、注浆参数对地表沉降的影响,并对施工提供了一些建议。分析表明,圆砾地层中施工对周围土体的扰动更为明显,使得左右线隧道施工相互影响更大;当开挖面压力减小较多时,开挖引起的地表竖向位移影响范围明显增大,施工中应在理论计算和经验的基础上适当增大开挖面压力,尽量避免开挖面压力过小或者失压;增大注浆层刚度对减小沉降值作用非常明显,在地表沉降控制要求严格的区段,应适当增加注浆压力,并保证注浆量,必要时应进行二次补注浆。     

自行走隧道掘进机施工引起地表沉降规律分析

通过水准测量对自行走隧道掘进机施工过程中地表变形进行了研究，结果表明：横向沉降槽曲线不完全符合Peck理论的正态分布，最大沉降点位于轴线上方。沉降变形集中发生在土体开挖而掘进机尚未到达掌子面时，环向增阻块对土体挤压造成地表轻微隆起。     

土压平衡盾构土仓压力设定及与地表沉降关系研究

介绍了土压平衡盾构的工作原理及侧向压力的计算方法,并以北京地铁某盾构区间为背景,以上土压为例计算了侧向压力,利用FLAC数值模拟软件分析了不同土仓压力下开挖面土体的位移及地表沉降情况。分析后认为:土仓压力对地表沉降的影响主要集中于盾构施工早期阶段,当土仓压力接近于原始地层侧向应力时,对控制地表位移最有利;结合实测数据后认为,盾构施工引起地表沉降是多重因素共同作用的结果,仅靠提高土仓压力对控制地表沉降的作用是有限的。     

双线地铁盾构隧道下穿既有河道施工对地层变形的影响分析

文章采用有限差分法对地铁双线盾构隧道下穿河道的施工过程进行了模拟计算,分析了5种不同交叉角度下隧道施工引起的地表沉降特性。结果表明:河道的存在会增大地表沉降量和沉降槽宽度,且随着隧道与河道交叉角度的增大,地表最大沉降量呈缓慢减小的趋势,而沉降槽宽度则呈增大的趋势;最后将数值模拟计算结果与盾构隧道施工时实际监测结果进行对比,两者基本相符。     

软土层中类矩形盾构掘进施工引起地层竖向变形实测与分析

 类矩形盾构断面形状、机械配置与圆形盾构的差异必然引起地层变形规律有所不同,以国内首例软土层中类矩形盾构地铁隧道工程为背景,依据现场实测地表变形、土体分层沉降数据,分析类矩形盾构隧道施工引起地层竖向变形的基本规律,并结合变形机制对施工控制提出建议。结果表明：类矩形盾构施工引起地表沉降最大值约50 mm,开挖面前方影响范围约20 m;地表竖向位移随时间发展呈现出缓慢沉降(隆起)、急剧隆起、快速沉降、平稳沉降4个阶段,沉降主要发生在盾构通过后,由软土地层受扰动后固结引起。地层竖向变形主要受土仓压力、盾尾注浆、盾构姿态等因素的影响,其中,盾构掘进姿态控制是盾构两侧土体竖向位移方向相反的主要原因,盾构姿态对周围地层变形影响比单圆盾构更显著。     

基于HSS模型的双线地铁隧道下穿高压燃气管道的影响分析

以北京某地铁盾构施工区间为研究对象,基于土体HSS本构模型,在砂土地层中,利用Plaxis 3D有限元软件,通过模拟结果与监测数据的对比分析,分析了双线隧道地表沉降变形规律以及开挖过程对管道的影响。结果表明,土体HSS本构模型在北京区域比较适用;后线隧道的开挖对先行隧道有较大影响,地表最大沉降出现在先行隧道上方;管道处沉降受双线盾构施工二次扰动的影响较其他部位地表大,施工时应格外关注。     

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。     

双线盾构隧道施工沉降影响规律研究

以某地铁盾构项目为依托,基于正交试验设计方法针对三种不同影响因素(注浆量、掘进推力、注浆压力)制定三因素四水平正交试验方案,并利用有限差分方法研究不同施工方案条件下地面沉降规律,然后通过极差分析和方差分析方法获得了三因素组合的最优方案,最后通过非线性拟合方法构建了盾构掘进施工的地面沉降预测公式。结果表明：单线隧道掘进过程中,开挖面上端的土体发生沉降,开挖面下端的土体会发生隆起;单线隧道开挖完成时,隧道处地面沉降最大,向两侧随着距隧道距离的增大,地面沉降逐渐变小;右线隧道开始施工时,对已完成的左线隧道周围的土体再次产生扰动,增加了左线隧道的地面沉降;当双线隧道都开挖完成时,地面沉降在两隧道中心线处沉降最大,向左右两侧沉降逐渐减小;三种因素对地面沉降影响大小的顺序为掘进推力、注浆量、注浆压力。     

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。     

重叠盾构施工引起土体变形的随机介质理论计算

对现有的随机介质理论进行拓展,引入适用范围更广的沉降槽宽度系数取值方法,通过对上线和下线盾构隧道分别计算再叠加的方法,建立重叠盾构隧道施工引起的土体变形计算方法,可以计算地表沉降、深层土体沉降和水平位移,将实测数据与计算结果进行对比。结果表明文中方法计算结果与实测数据比较吻合,具有可靠性;重叠盾构隧道施工引起的地表沉降呈V形;重叠盾构隧道施工引起的土体变形都在隧道轴线处达到最大值;随着深度增加,在隧道上方处的土体变形增大;盾构机在离开开挖面1.5倍上线隧道埋深后,沉降基本稳定,离开开挖面2倍上线隧道埋深后沉降不再增加;由于重叠盾构隧道上下线隧道埋深不同,两条隧道的关键参数取值也不同。     

土仓压力及注浆压力对深埋盾构施工影响分析

深埋隧道在盾构施工过程中容易因某些环节处理不当而导致地面沉陷等事故的发生。在众多因素当中,土仓压力和注浆压力的控制是施工过程中的重要环节。借助于有限元软件ansys模拟施工过程,结果表明:土仓压力增大至0. 6 MPa,注浆压力增大至0. 9 MPa时,隧道拱顶下沉降至4. 37 cm,拱底上隆降至2. 51 cm,地表沉降降至2. 28 cm,地表上隆降至0. 75 cm,管片衬砌所受最大应力降至19. 1 MPa,最小应力增至1. 48 MPa。借此为深埋隧道提供了土仓压力及注浆压力的取值参考。     

基于Midas GTS对某隧道硐室施工的数值模拟分析

以吉林省舒兰市某隧道工程为例,运用Midas GTS有限元软件对隧道的施工过程进行了模拟分析,研究结果表明：随着隧道的不断开挖,隧道拱顶及其上覆岩土体逐渐发生沉降,且距离拱顶越近的位置,其沉降值越大,地表受隧道开挖影响而引起的沉降范围约为10倍的隧道跨度,隧道硐室底面的岩土体则随隧道开挖而产生向上的隆起位移,最大隆起位置位于硐室底面中心处,隧道衬砌结构在施工过程中所受的最大剪力与弯矩分别位于隧道的拱肩和拱顶位置。通过模拟分析得出此隧道施工过程中的变形及受力特点,可为相似的隧道工程设计、施工以及预防措施等方面提供一定的参考。