盾构下穿对既有地铁隧道的影响规律数值模拟

针对新建下穿隧道在盾构过程中会造成既有隧道产生较大变形,对施工产生不利影响的问题,依托实际工程,通过三维有限元仿真研究新建隧道下穿对既有隧道变形特性的影响,对隧道几何形状、土体强度等潜在影响因素进行逐一分析。研究结果表明:新建隧道施工导致既有隧道周围土体形成松动圈,使土压力降低,是诱使既有隧道发生变形的主要原因;在开挖面经过两隧道交叉位置处前后一倍隧道直径区间内,既有隧道的沉降值占到整个施工过程总沉降的80%;在所有潜在影响因素里,盾构隧道的直径变化对既有隧道沉降峰值影响最大,其他影响因素(土的模量,上覆土厚度和隧道交角以及地层损失)的影响能力基本相当。     

软土地层盾构隧道浅埋施工对地层应力场的扰动影响

盾构隧道施工必将引起周围地层的应力场扰动。利用数值方法建立了盾构隧道动态开挖模型,依托厦门地铁区间隧道浅埋施工工程,分析了盾构开挖过程对软土地层应力场的扰动规律,并进一步研究了隧道埋深对扰动效果的影响。结果表明,盾构隧道开挖对隧道侧面水平土压力和上方竖向土压力影响显著,尤其是盾尾注浆的挤压作用使土压力大幅增加,而后伴随注浆压力消散逐渐降低至稳定状态;增大隧道埋深对侧面水平土压力变化规律影响不大,但上方竖向土压力变化量显著减小,即深埋情况下地层抵抗扰动影响的能力有所提高;距离开挖空间越近,地层应力场受盾构施工扰动影响越明显,主要影响范围集中在隧道周围1.0D区域,浅埋开挖时引起地层土压力变化率较大,因此应加强浅埋施工近距地层的稳定性。     

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。     

软土地区盾构上穿越既有隧道的离心模拟研究

随着地铁网络不断完善,新建盾构隧道近距离穿越既有隧道的现象越来越多。盾构近距离穿越既有隧道的影响问题,比常规盾构施工的研究更为复杂。结合上海外滩通道盾构上穿越地铁 2 号线工程,采用离心模型试验与现场实测相结合的方法对盾构上穿越对周围地层及既有隧道的影响进行了研究。文中选用排液法在离心场中模拟盾构施工,在国内首次实现了在不停机状态下模拟隧道开挖卸载、地层损失和注浆过程,并分析了盾构上穿越施工引起的地层、新建隧道与既有隧道的纵向位移变化规律。通过现场实测数据分析了既有隧道在盾构上穿越过程中纵向变形与时程曲线的变化规律。     

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。     

遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析

 地铁隧道施工诱发的土体沉降以及临近地下构筑物变形是我国城市轨道交通施工安全控制和风险评估中较为关心的一类施工问题。目前,针对该领域地层沉降的简化理论研究还仅仅针对自由位移场,没有考虑临近既有构筑物的遮拦效应影响。依托上海在建地铁施工工程实践,采用简化理论方法、三维有限元数值模拟方法以及现场监测方法,分析考虑运营隧道遮拦效应影响的土压平衡盾构施工引起的周围土体沉降规律,并与自由位移场条件下盾构施工引起的地层变形进行对比分析;在此基础上,给出地铁盾构复杂叠交穿越引起的临近地铁隧道的变形规律。研究表明,本文提出的简化理论方法和三维有限元数值模拟方法可以较好地模拟遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起的地层沉降变形;临近既有建(构)筑物施工,盾构施工引起的周围土体沉降较大程度地受到遮拦效应影响,与自由位移场条件下的计算结果对比存在较大差别。最后,结合盾构施工监测数据,提出复杂遮拦叠交效应下的盾构叠交施工变形控制技术措施。成果可为合理制定施工场地存在复杂建(构)筑物工况条件的地铁隧道开挖对周围环境保护措施提供一定的理论依据。     

下穿施工影响下既有隧道和地层的位移解析解

在既有隧道下进行浅埋隧道开挖会引起地层产生位移,继而导致既有隧道变形。由于既有隧道与地层刚度差别巨大,常规的解析法无法计算存在不同刚度的地层位移场。基于镜像法,采用当层法对既有隧道刚度进行等效,建立综合考虑新建隧道-岩土体-既有隧道三者相互作用的计算模型。以北京地铁10号线国贸站-双井站区间下穿既有1号线区间工程为例,采用该计算方法,研究新建隧道下穿施工对地层及既有隧道的影响。研究表明,计算结果与实测变形吻合较好,解析解能很好的解释既有隧道对地层变形的阻隔和扩散作用。研究成果为下穿施工引起的既有隧道及地层沉降计算提供了一种新的解析方法。     

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。     

地铁交叉隧道地层变形分析

以北京地铁五号线东单站近距离上穿既有线东单-王府井区间为例,采用FLAC3D非线性大变形程序对交叉隧道采用浅埋暗挖四步台阶法进行新隧道施工引起的地层变形进行了三维数值模拟,再现了土体随开挖位移及应力变化规律,对既有隧道开挖位移分布模式及受车站开挖变化规律、地表与拱顶沉降规律对比、各地层竖向沉降规律,并与现场试验断面的实测数据对比分析,验证了结果的可靠性.     

盾构近接既有隧道施工地层变形规律研究

依托长沙市轨道交通4号线阜碧区间盾构工程,对盾构近接既有隧道施工地层变形进行现场试验研究,并在此基础上分析总结地层变形规律,研究结果表明:监测断面处地层在盾构机靠近时变形较大、远离时变形较小;靠近隧道轴线处地层沉降较大、远离轴线处沉降较小;从地表至地层一定深度,隧道两侧水平位移均向隧道中心收敛;既有隧道的存在会增强该侧土体抵抗变形的能力,使得新建隧道两侧地层变形不均匀。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

软土地层盾构隧道施工引起的地面隆陷研究

 基于Mindlin解,经数值积分求得盾构掘进时切口附加推力、盾壳对周围土体的摩擦力及同步注浆附加压力引起的地面竖向位移,并以杭州庆春路过江隧道盾构施工引起的地面实测位移对其进行验证。分析结果表明,基于Mindlin解求得的切口附加推力、盾壳摩擦力及同步注浆附加压力引起的地面位移,与地层损失沉降叠加,可用来预测盾构掘进引起的纵向地面隆陷;盾尾同步注浆所致横断面地面隆起符合高斯分布,考虑注浆所致地面隆起后的修正Peck公式,可预测盾构掘进所致地面隆起,并提高地面沉降参数反分析的精度。     

盾构隧道扩建地铁车站地表沉降预测及分析

 广州市轨道交通6#线东山口站左线站台隧道采用盾构先行过站后扩挖方案修建,地面环境复杂,且建筑物桩基所处地层含水量高、孔隙比大,盾构隧道扩挖施工易引起较大地面沉降。应用数值模拟方法对扩挖施工诱发地层失水引起的地表沉降以及现场扩挖施工变形控制措施的实施效果进行预测,并且运用叠加原理将得到的最终地表沉降与实测数据进行对比分析。结果显示：地层失水沉降及扩挖施工沉降比例为2∶3;盾构隧道台阶法扩挖上台阶施工地表沉降量较大,两台阶两部与两台阶四部扩挖法地表沉降差别不大,盾构扩挖法修建左线站台隧道最大地表沉降为右线CRD法站台隧道的65%;拱部大管棚、袖阀管注浆复合超前预支护增加了地表沉降槽宽度,减小了地表沉降量及倾斜;盾构轴线偏移方案减小了围岩塑形区范围,更好地发挥拱部超前预支护的效果。     

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。     

软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响

为了研究并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响,以横琴杧洲隧道工程为依托,建立了并行曲线隧道三维有限元数值模型。在此基础上,研究了不同施工顺序和曲率半径r(r=500,800 m)下新建曲线盾构隧道开挖对既有隧道变形的影响。结果表明:施工顺序对既有隧道位移影响较小,曲率半径对既有隧道位移影响相对较大; 随着曲率半径(r=500～800 m)的增加,既有隧道位移增加约15%; 既有隧道的位移主要在盾构开挖面前方2D(D为隧道外径)、后方1D范围内产生; 施工顺序对既有隧道内力的影响与曲率半径有关; 隧道曲率半径为500 m时,施工顺序对既有隧道内力变化影响规律相似,即离盾构开挖面最近的既有隧道剖面产生的弯矩最大,且最大弯矩和最小弯矩均出现在靠近新隧道一侧; 内侧隧道先开挖时,既有隧道的弯矩(绝对值)更小,此时对于并行曲线隧道施工,内侧隧道先开挖更安全; 在盾构开挖面前方一定距离内既有隧道产生的轴力最大; 隧道曲率半径为800 m时,双线隧道近似于平行隧道,施工顺序对既有隧道内力变化和大小影响较小。     

盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析

在城市环境中，如何控制地层移动以保证隧道周围临近建筑物以及地下市政设施等的安全，是设计以及施工中必须考虑的主要问题。通过对盾构施工对地层扰动的一般性状的分析认为，地层的移动在盾构隧道周围呈现区域性的不同特征，而且随工作面压力的不同，各扰动区域间的分界面发生变化。另外。由于已有地下污水管道自身具有一定的刚度，它的存在对盾构掘进引发的地层移动产生一种遮拦作用而使地层移动特征发生变化。以上海地铁二号线工程为工程背景，通过在地下污水管道周围的地层中测定地层的超孔隙水压力和土层的移动(包括地层的分层沉降以及地层在两个方向的水平位移)。研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性。研究表明，在盾构掘进接近、穿越以及远离测孔区3个施工阶段，隧道周围不同区域的土层呈现出各自不同的移动特征。     

近距离多线叠交盾构施工对既有隧道变形的影响研究

针对上海地铁新建11号线先下后上近距离穿越既有4号线,形成三层隧道四线叠交的特殊工况,采用有限元数值模拟和现场监测相结合的方法,考虑既有隧道周围土压力的分布规律,研究了盾构下穿施工时土仓压力和注浆压力以及上穿施工时压重范围和压重量对既有隧道变形的影响。研究结果表明：下穿施工结束时,既有隧道的沉降量不随土仓压力比的改变而改变,但随注浆压力比的减小而增大;上穿施工应采取压重措施预防既有隧道的上浮和局部隆起变形,宜遵循新建隧道同步压重为主,既有隧道压重为辅的原则。     

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

 上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。