上软下硬地层盾构下穿施工中既有隧道应力和变形研究

上软下硬地层在沿海地区十分常见,由于地层竖向差异显著,在其中进行盾构施工难度较大。为评估上软下硬地层中盾构下穿过程中既有隧道的响应和安全,以广州地铁22号线下穿3号线的实际工况为例,基于Midas-GTS构建精细化的盾构下穿施工模型,并结合实测数据对其进行校验。在此基础上,分析了盾构下穿施工中既有隧道应力和变形,主要结论如下：（1）将Midas-GTS所得的沉降数据与现场实测的沉降数据相对比,证明Midas-GTS的有效性和可靠性。（2）在盾构下穿过程中,既有隧道的最大主应力分布于中间管片拱腰处,最大主应力为0.755 MPa;最小主应力处分布在管片拱顶区域,最小主应力为3.7 MPa。（3）在上软下硬的地层中开展盾构施工,既有隧道的最大沉降值为1.04 mm,小于规范允许值。     

邻近隧道盾构施工的现场实测分析

为研究新建隧道对既有隧道的附加作用,本文通过现场监测,从附加应力、附加变形两方面研究了新建盾构隧道施工对既有隧道的附加作用。分析了既有隧道管片附加作用的动态变化规律,给出了附加作用与掌子面距离的关系,同时对管片附加作用的空间分布规律进行了分析。监测结果表明:①既有隧道管片的附加环向、径向应力远大于附加走向应力。②既有隧道拱顶、拱底处环向附加应力为拉应力,且拱顶处拉应力远远大于拱底处拉应力,两侧拱腰处为压应力,靠近新建侧附加压应力大于远离侧附加应力,前者约为后者的2倍。③既有隧道管片的走向附加应力是压应力,其中拱底处最大,近侧拱腰处次之,拱顶处较小,远侧拱腰处最小。④既有隧道管片的径向附加应力为压应力,大小为0.1~0.5 MPa,近侧拱腰处最大,远侧拱腰处次之,拱顶较小,拱底最小。其表现为“侧向大,竖向小”“近大远小,上大下小,不对称”的分布规律,即逆时针旋转90°的“非对称葫芦形”分布。⑤附加地表沉降呈对称U型沉降槽分布,影响半径为1倍埋深,影响角约45°,沉降最大点在隧道正上方,当掌子面到达监测断面时沉降速率最大。⑥既有隧道管片的附加净空收敛值依次经历了侧向收缩、缓慢扩张、快速扩张、缓慢回落,趋于稳定5个阶段。净空收敛值回落至峰值的三分之一,其变化范围在-1~3 mm。⑦既有隧道管片的附加拱底沉降依次为上浮、回落、快速上浮、快速回落、回落至初始状态,其变化范围为-1.0~2.5 mm。     

某铁路隧道下穿高速公路爆破振动研究

结合沪昆铁路某隧道下穿沪昆高速公路的实际工况,应用三维有限元软件MIDAS/GTS-NX模拟下穿隧道与既有高速公路相对位置不同时,新建隧道爆破施工引起既有高速公路挡墙和路基的动力响应规律。结果表明:在装药量保持不变情况下,新建隧道与既有高速公路相对位置发生变化,既有挡墙和路基振速响应峰值的出现部位不尽相同,当隧道位于挡墙正下方和左下方时,挡墙底部临空侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙右下方时,挡墙底部内侧点的振速值(峰值为0.61 cm/s)略大于挡墙底部临空侧点的振速值(峰值为0.59 cm/s);对于路基,当隧道位于挡墙正下方和右下方时,左线路基底部右侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙左下方时,左线路基底部左侧点的振速值最大。因此,在下穿隧道爆破施工时,为保证既有高速公路挡墙和路基的安全运营,应重点监测距爆心最近的挡墙底部临空侧和左线路基的振速响应,必要时可进行加固处理。此研究成果可为类似工程爆破开挖及振动控制提供参考。     

新建高铁隧道近接下穿既有公路隧道施工方案研究

郑万高铁重庆段巫山隧道下穿既有渝宜高速岳家岭隧道,公路隧道路面距铁路隧道拱顶最小距离为17.3m,为保证既有隧道在施工期间的运营安全,采用数值模拟的方法对下穿段施工工法进行了比选研究.研究结果表明,在新建铁路隧道采用中隔壁法和双侧壁导坑法开挖施工后,既有公路隧道路面最大沉降分别为7.8mm和7.5mm,均满足沉降评价标准,且下穿后既有公路隧道衬砌结构安全系数也均满足相关规范要求;采用双侧壁导坑法施工时,铁路隧道初期支护和临时支护均满足规范要求,采用中隔壁法施工时,铁路隧道的初期支护可以满足规范要求,但临时支护安全系数不满足规范要求,故将原设计I18型钢钢架变更为双层I18型钢钢架或I25a型钢钢架,以增大中隔墙承载能力.     

新建公路隧道下穿既有铁路隧道控制爆破技术与安全管理

以六盘水—六枝高速公路茨冲隧道下穿既有沪昆铁路路基和隧道为例,详细介绍了新建公路隧道下穿既有铁路隧道交叉影响段的控制爆破技术及安全监控与管理。     

深埋隧道围岩及支护结构稳定性分析

运用FLAC3D应变软化模型,模拟分析了共和隧道深埋段某断面围岩及支护结构稳定性以及围岩塑性区的变化特点,结果表明:(1)拱顶位移>拱腰位移>拱脚位移,拱顶最大位移量约20 mm,底板有膨胀现象,但其绝对位移较小,为4.5 mm;(2)随着掌子面的向前推进,模拟特征断面上围岩及支护结构的位移及应力均有所增加;当掌子面与特征断面之间的距离大于30 m时,特征断面上各特征点的位移及应力基本趋于稳定,拱顶、拱腰和拱脚的位移收敛值分别为18 mm、15 mm及10 mm,竖向应力收敛值分别为31 MPa、22.5 MPa及7.5 MPa,水平应力收敛值分别为8.1 MPa、6.0 MPa及2.5 MPa。     

车辆荷载对隧道护拱衬砌安全性影响分析

为探讨施工车辆荷载对隧道护拱结构安全性的影响机制,以某高速铁路隧道下穿既有县道工程为依托,采用ANSYS进行施工车辆超载作用下护拱衬砌结构响应数值分析,系统分析了护拱结构的应力、变形特征,评价了护拱衬砌结构的安全性。研究结果表明:1)车辆荷载作用下,隧道护拱结构产生较大的拉应力和压应力,数值远超过填土自重荷载,车辆后轴作用在明洞正上方时为护拱衬砌的最不利工况;2)护拱衬砌拱顶产生竖向沉降变形,拱脚产生向内水平收敛变形,竖向变形最大值为0.037 mm,远大于水平变形;3)护拱衬砌拱顶承受拉应力,拱脚与围岩接触处也承受拉应力,拱脚有脱离围岩的可能性,护拱衬砌主应力最大值均未超过混凝土容许应力。研究成果可为类似工程提供参考。     

上覆地表车载作用下群洞隧道动力响应研究

依托浅埋四孔小净距隧道工程实践,基于行车动载理论,建立了三维弹性半空间隧道振动分析模型,分析车速和载重等10种激励作用下隧道竖向位移及应力响应规律。结果表明,在不同激励力作用下中隔带路面沉降最大,影响范围至隧道拱腰 拱脚位置,呈倒槽型分布,且4条隧道均在拱顶出现位移峰值,峰值随载重大致呈线性关系,车行及人行隧道位移曲线近似呈镜面对称的“漏斗型”曲线和渐变曲线。隧道最大主应力峰值主要分布于左、右拱肩,主应力峰值随载重大致呈线性关系。车行及人行隧道主应力近似呈镜面对称的不规则“双峰型”曲线和渐变曲线。公路下穿段范围隧道位移及主应力变化速率较大,但车速对隧道竖向位移及主应力影响并不明显,载重是关键影响因素。结合分析结果,给出了监控加密部位、交通管制及加固措施等建议。     

浅埋公路隧道下穿既有铁路线路基施工技术及控制措施

以六盘水—六枝高速公路茨冲隧道下穿既有沪昆铁路路基和隧道为例,详细介绍了新建公路隧道下穿既有铁路线路基的施工工艺和施工方法,并简要阐述了对施工中的公路隧道和运营中的铁路路基所采取的控制措施。     

深埋矿山法地铁隧道下穿既有铁路隧道影响研究

以厦门某矿山法地铁隧道下穿既有铁路隧道为工程背景,运用数值模拟隧道开挖过程,并结合现场监测,研究新建深埋地铁隧道下穿既有铁路隧道结构沉降变形情况,以及新建地铁隧道在下穿过程中隧道拱顶沉降、净空收敛的变化规律。数值模拟结果表明,既有铁路隧道结构最大沉降量为1. 15mm,沉降值较小;新建地铁隧道在Ⅳ围岩下变形最大,且随着围岩强度提高,变形越小。监控量测结果表明,既有铁路隧道与新建地铁隧道的变形趋势与数值模拟吻合,进一步验证了模拟的准确性。因此,深埋地铁隧道开挖过程,新建隧道变形与围岩强度相关,围岩强度越高变形越小;深埋地铁隧道在Ⅱ级～Ⅳ级围岩强度下对上部既有铁路隧道的影响较小。     

隧道长距离邻近施工对既有隧道的影响分析

以南京市栖霞山隧道长距离邻近既有铁路隧道施工为例,采用有限元数值模拟方法,分析了新建隧道施工时既有隧道及地层的力学响应规律。结果显示,施工结束后既有隧道最大沉降为1.35 mm,水平向最大位移为0.18 mm,初始阶段、卸荷阶段或回填阶段结构承受的拉应力、压应力均远小于混凝土抗拉、压强度,可以保证既有隧道的安全。     

千枚岩深埋隧道支护参数对结构受力与变形的影响

为探索成武高速2号隧道支护参数对结构受力与变形的影响,以室内试验、原位试验和现场测试为主要手段,研究了隧道围岩工程特性、初期支护围岩压力、二次衬砌接触压力、拱顶下沉、周边收敛-时间曲线的变化规律; 提出增加单层初支刚度、采用双层初支、增加双层初支刚度3种支护参数方案,再利用FLAC3D有限差分软件分析,以原始支护方案和3种支护参数方案为基础建立4种工况来确定不同支护参数对隧道结构受力与变形的影响。结果表明:在原始支护方案模拟结果中,拱顶竖直位移和拱脚水平位移趋于稳定时分别为185.57 mm和330.51 mm,与现场测试结果相对误差分别为5.5%和7.5%; 采用单层初支时,钢拱架间距由75 m调整为60 m,钢拱架型号由I18调整为I22,拱顶处的竖直位移为161.45 mm,相对于原始设计模拟结果减少了13%,拱脚处水平位移为273.21 mm,减少了17.3%,右拱腰处应力集中值为11.18 MPa,减少了9.1%; 采用双层初支时,2层中钢拱架间距与型号均与原始支护设计相同,为75 m与I18,拱顶处的竖直位移为130.58 mm,相对于原始设计模拟结果减少了29.6%,拱脚处水平位移为227 mm,减少了31.3%,右拱腰处应力集中值为8.24 MPa,减少了33.0%; 采用双层初支时,2层中钢拱架的间距均为60 m,型号为I22,拱顶处竖直位移为80.56 mm,相对于原始设计模拟结果减少了56.6%,拱脚处水平位移为159.34 mm,减少了51.8%,右拱腰处应力集中值为6.13 MPa,减少了50.2%,此工况下隧道支护结构的受力变形限制最好,拱顶沉降为80 mm,周边收敛为160 mm。     

交叠隧道相互影响性研究

随着隧道邻近建筑物施工的增多,如何确保邻近建筑物与隧道结构物交叉段的安全成为施工中的难题。采用三维有限元方法,对具有横洞隧道下穿既有隧道进行模拟和分析。研究表明,当新建隧道下穿既有隧道时,二者相互“吸引”,既有隧道沉降沿自身轴线呈“拱形”曲线分布,且受力增大,远离交叉段影响逐渐减小;横洞开挖对主洞的影响表现为交接处拱顶、拱腰受力增加,下沉量增加,周边收敛减少,出现应力集中现象。研究成果对具有横洞的交叉隧道的安全施工有一定的指导意义。     

岩石地层地铁车站双侧壁导坑法施工技术研究

以在建的重庆市轨道交通10号线鲤鱼池车站为背景,利用Midas-GTS(NX)建立地铁车站三维有限元计算模型,分析双侧壁导坑法施工对车站隧道围岩稳定性的影响。分析结果表明,核心土的开挖对车站隧道围岩的位移和应力都产生了显著的影响:隧道拱顶最大竖向位移为9.3 mm;围岩最大主应力0.52 MPa,最小主应力3.10 MPa;支护结构最大主应力10.88 MPa,最小主应力19.51 MPa,其最大主应力超过混凝土的抗拉强度值,在施工过程中应该给予足够的重视。     

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应影响研究

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构受力有重要影响,由于目前对拱顶土压认识不足,隧道衬砌结构设计存在缺陷,导致隧道衬砌结构发生病害。结合山西中南部深埋重载铁路吾沿河隧道,采用数值模拟的方法分析拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应的影响。研究结果表明:1隧道拱顶处土压的增加会导致二次衬砌拱顶位移、最大及最小主应力水平显著增加;2隧道拱顶土压一定的情况下,列车峰值荷载对二次衬砌最大主应力影响较大,最小主应力影响较小;3隧道拱顶土压的增加对填充层主应力大小影响较小,填充层主应力大小主要受列车动荷载作用控制,对地层荷载不起主要承载作用。     

砂土中隧道施工引起近接隧道位移的试验研究

新建隧道施工对近接隧道的影响,一直是隧道设计和施工中必须考虑的问题,但现阶段对此还没有一致的认识。为了进一步研究新建隧道施工对近接隧道影响机理,设计了能够模拟隧道分步开挖的室内模型试验装置,并用该试验装置进行了砂土地层中新建隧道施工引起近接水平平行隧道位移的试验研究。试验重点研究了两平行隧道间净距、埋深对既有隧道位移的影响。通过对试验结果分析,得到了既有隧道拱顶和靠近新建隧道一侧拱腰部位的位移发展规律。试验结果分析表明,新建隧道开挖会对既有平行隧道结构产生侧向挤压效应,隧道埋深和净距对既有隧道的位移都有影响,但隧道间净距变化对位移量的影响更大。当隧道间净距大于2倍隧道直径时,新建隧道开挖对既有水平平行隧道位移的影响非常小。研究成果可为砂土地层中近距离平行隧道设计和施工提供参考。     

浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析

甬台温铁路新建前黄隧道下穿甬台温高速公路,该段隧道覆盖层薄弱,围岩较差,采用三维有限元方法对该段隧道下穿高速公路施工时的围岩变形及公路路面沉降进行数值模拟.分析结果表明,软弱围岩下浅埋铁路隧道近距离穿越高速公路时采用大管棚超前支护以及选用双侧壁导坑法开挖对路面及隧道拱顶的沉降都起到了很好的控制作用,而且隧道拱顶沉降和水平收敛位移受隧道纵向开挖空间效应和覆盖层厚度的影响相当大.公路路面的沉降值呈近似倒漏斗型分布,路面最大沉降位于隧道正上方路面中央.计算结果为铁路隧道的设计施工提供了一定的理论依据.     

浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析

甬台温铁路新建前黄隧道下穿甬台温高速公路,该段隧道覆盖层薄弱,围岩较差,采用三维有限元方法对该段隧道下穿高速公路施工时的围岩变形及公路路面沉降进行数值模拟。分析结果表明,软弱围岩下浅埋铁路隧道近距离穿越高速公路时采用大管棚超前支护以及选用双侧壁导坑法开挖对路面及隧道拱顶的沉降都起到了很好的控制作用,而且隧道拱顶沉降和水平收敛位移受隧道纵向开挖空间效应和覆盖层厚度的影响相当大。公路路面的沉降值呈近似倒漏斗型分布,路面最大沉降位于隧道正上方路面中央。计算结果为铁路隧道的设计施工提供了一定的理论依据。     

单洞双线隧道平行近接施工时效性研究

以福平铁路单洞双线隧道近接施工为背景,探讨考虑围岩流变情况下近接隧道施工对既有隧道的时效性影响,通过建立数值计算模型,分析新建隧道开挖一定时间后既有隧道的位移、二次衬砌受力、塑性区的变化。结果表明:单洞双线隧道平行近接施工时,对既有隧道左右边墙的影响要大于对拱顶、仰拱的影响,右边墙最大位移达到0.148 5 mm,其中仰拱、左右边墙位移稳定后,拱顶位移180 d后仍在发展;近接隧道施工后,二次衬砌受力状态得到改善,所受压应力减小,随着时间的发展二次衬砌依然能保持稳定;新建隧道的开挖不会引起既有隧道塑性区的变化,结合新建隧道塑性区演化规律,建议在第29 d左右施作新建隧道的二次衬砌。     

上穿公路隧道偶然爆炸对下方供水隧洞影响研究

新建公路隧道从既有供水隧洞上方穿过,在空间上形成交叉隧道,上下隧道最小净距21.5 m,为评价上穿隧道偶然爆炸对下方供水隧洞稳定的影响,应用ANSYS/LS-DYNA对其进行了数值模拟研究。结果表明:当上穿公路隧道油罐车在运输过程中发生爆炸时,下方供水隧洞的拱顶、拱腰对爆炸冲击波的响应较大,最大振动速度约为10.1 cm/s,拱腰和拱底的振动速度分别为8.9 cm/s和3.9 cm/s,拱顶、拱腰部位的最大振动速度大于水工隧洞的安全质点振动速度;此时隧洞最大的动拉应力点位于拱顶,为1.01 MPa,加上隧洞衬砌静态应力(约1.0 MPa),超过了C25砼的抗拉强度设计值1.27 MPa,故油罐车偶然爆炸会造成供水隧洞结构的破坏,影响其稳定性,须采取一定的交通管制措施。