超大直径盾构隧道随机场建模及分析研究

超大直径盾构在掘进过程中由于面临复杂的地质环境,其地质参数的不确定性导致盾构驾驶司机往往依赖于经验进行操作,存在一定的未知风险。尽管随机场模型能在一定条件下描述土体参数的空间变异性,但对于变异性较高的土体往往难以合理评价其参数的差异性。因此,本文通过将随机场理论与克里金方法相结合,从而建立以有限钻孔数据为约束条件的随机场;并以某盾构隧道工程中部分黏聚力、内摩擦角数据为基础验证了该方法的适用性。结果显示:(1)完全随机场模型能基于岩土力学参数的统计量信息,在一定程度上模拟其空间变异性;(2)约束随机场模型能充分利用有限的钻孔数据表征土体各空间位置岩土力学参数的差异性,从而可为超大直径盾构施工提供较为详细的岩土力学参数资料,进而对盾构掘进操作参数的选取提供一定帮助。     

基于随机场理论的盾构隧道地表变形分析

采用随机场理论和数值分析相结合的方法,研究土性参数的空间变异性对盾构隧道施工地表变形的影响。利用协方差矩阵分解法建立描述土性参数空间变异性特征的随机场模型,结合Monte-Carlo策略,采用FLAC3D软件分析弹性模量的变异系数、相关距离对地表变形的影响。研究结果表明:土体弹性模量的空间变异性对地表变形规律有着重要的影响,在变形形态和量值上均有不同程度的体现;根据土体弹性模量的相关距离与隧道直径之间比值的大小关系,总结提出3种地表变形模式;最大地表沉降近似服从对数正态分布,且随着土体弹性模量的变异系数和相关距离的增大,最大地表沉降的概率分布越分散,超出沉降监测控制值的概率逐渐增加。     

岩土力学参数随机场的离散研究

基于岩土力学参数随机场并不一定是平稳弱变异高斯随机场这一事实,应用地质统计学原理并结合随机有限元中三种较常用的随机场离散方法对岩土力学参数随机场的离散作了探讨。由于所提方法是通过对随机场作空间变异性分析来获得随机场的空间结构特征而不是假定随机场为平稳弱变异高斯随机场,因此离散结果更切合实际     

基于三维随机场的地表堆载引发运营隧道变形分析

随着城市基础设施的快速发展和轨道交通的进一步开发,已有运营盾构隧道不可避免地会受到周围施工的影响,邻近施工将引起运营隧道周围土体的应力重分布,从而使隧道衬砌结构产生额外的附加变形。在三维空间变异性土体中研究了地表堆载对下方既有运营盾构隧道结构变形的影响,采用有限元方法和随机场理论对盾构隧道的拱顶沉降进行了概率分析,揭示了土体参数的波动范围和变异系数对盾构隧道轴向变形超标概率的影响规律,最后根据大量随机分析结果提出了一种简化的等效确定性分析方法。相关成果可以为在类似工程问题中考虑土体参数空间变异性提供一种简化计算方法。     

不排水强度的空间变异性及单桩承载力可靠性分析

对于土性随深度变化的情况,讨论了不排水剪切强度cu空间变异性的随机场概率统计模型.由于现有的土层随机场模型都是针对平稳随机场,即土性的随机分量的,所以首先要用回归的方法分离出趋势分量来,然后才能对随机分量进行模拟.认为在进行岩土工程可靠度分析时,不仅要考虑抽样所带来的误差,还要考虑土性本身的空间变异性.并用不排水剪强度cu的变异性来计算粘性土中单桩承载力的方差,旨在阐明随机场理论在岩土工程可靠性分析中的应用.最后用一个算例作了具体说明.     

高速铁路隧道围岩参数空间变异性的力学响应分析

 针对大断面高速铁路隧道围岩的参数变异性及空间相关性等问题,在随机场理论的基本框架下,将非侵入式随机分析、地层结构模型、有限差分法和蒙特卡洛模拟有机结合,提出考虑围岩参数空间变异性的非侵入式随机有限差分分析模型。运用该模型对隧道开挖后围岩的力学响应进行分析,得到围岩参数空间变异性的2个基本要素：参数变异性和空间相关性,其特征参数的取值变化会直接影响到围岩变形特性、塑性区发展模式以及地表沉降形态。同时与确定性模型的计算结果进行比较,提炼出隧道开挖后围岩参数空间变异性的4种典型工程效应：(1) 围岩结构性低强度荷载占优效应;(2) 围岩结构空间相关各向异性效应;(3) 功能函数敏感性差异及非线性效应;(4) 功能函数转变分布类型效应。研究成果为拓展基于空间变异性的高速铁路隧道工程稳健性设计奠定了一定的基础。     

土石坝随机渗流场有限元分析

考虑岩土体的渗透系数在空间分布的变异性对坝体进行随机渗流模拟,应用Monte-Carlo随机有限元方法结合Matlab程序建立了随机场有限模型,计算了随机等势线,水力坡降等参数,并进行了相关参数的变异性分析。     

考虑注浆压力不确定性对盾构施工引起地表沉降的影响

盾构施工过程中不可避免的会对邻近建构筑物产生影响,可以采用数值模拟的方式对这一过程进行评价。在评价过程中,一般将岩土体参数或施工参数视作定值考虑,忽略了岩土体参数以及施工参数不确定性对模拟结果的影响。本文针对这一问题,以注浆压力不确定性为切入点,探究了考虑注浆压力不确定性对盾构施工引起地表沉降的影响。首先通过文献调研的方式,确定了描述注浆压力不确定性特征的常见范围,并基于随机场理论对其进行描述,随后结合太原盾构隧道工程实例,建立FLAC3D数值计算模型,分析计算注浆压力不确定性对盾构施工过程中地表沉降的影响。结果显示,考虑注浆压力不确定性进行分析时隧道轴线地表沉降集中分布在确定性分析结果增减60%的区间范围内,此外,与盾构始发处距离越大,地表沉降的变异性就越强;对于地表单点沉降而言,可以用正态分布描述其概率分布形式。     

考虑参数空间变异性的隧道下穿建筑物安全性评价

考虑土性参数的空间变异性,构建了基于随机场理论和数值分析手段的隧道下穿建筑物安全概率评价方法。将土体参数弹性模量视为随机场模型,采用应力释放方法模拟隧道施工,并基于地表建筑物为柔性简支梁的假设,利用极限拉应变作为判定指标对建筑物安全进行概率性评价。结果表明,所提出方法能够在考虑土性参数空间变异性的前提下有效地评价隧道下穿建筑物的安全性。土体弹性模量变异系数和自相关距离对隧道下穿建筑物安全性具有显著的影响;弹性模量的变异程度越高造成建筑物内最大拉应变的概率分布越离散,达到较高破坏等级的概率也越大。     

考虑参数空间变异性的隧道结构变形分析简化方法

土体参数具有空间变异性是被广泛接受的,而这种变异性对岩土中结构性能有着重要的影响.随机场理论是一种常用的用来模拟土体参数空间变异性的方法.基于随机场理论,以土体弹性模量的空间变异性为切入点,采用蒙特卡罗方法和有限差分模拟计算相结合的方法,开展隧道水平收敛的随机分析.在大量蒙特卡罗计算基础上,提出了3种简单易用的简化考虑...     

基于云模型的地铁施工地表变形风险推理分析

在地铁盾构施工地表沉降研究中,风险因素具有模糊性和随机性的特点,云模型理论可将自然语言值表示的某个定性概念转换为定量表示,把模糊问题的亦此亦彼性和隶属度的随机性统一起来。本文在建立盾构施工地表沉降事故树的基础上,运用云模型处理专家对风险因素发生概率大小分布范围划分定性与定量的转换关系,通过对云图凝聚性的修正,更加客观、准确地确定了地铁盾构施工引发地表沉降各风险因素的概率分布范围和基本事件的概率值;基于云模型和信心指数实现了定性语言值向定量数值的转换。在此基础上进行模糊事故树敏感性分析,得出盾构施工地表沉降风险的基本事件模糊重要度,由此明确影响大的基本事件,便于针对性制定施工事前地表沉降控制措施。     

Ф14.93m泥水平衡盾构穿越乙烯管施工技术研究

以虹梅南路~金海路通道西线隧道为工程背景,从切口压力、掘进速度与盾构姿态、盾构推力与刀盘扭矩、注浆压力与注浆量、进排泥流量和泥水指标等参数管理和现场监测等方面,探讨了Ф14.93m泥水平衡盾构穿越Φ273mm乙烯管沉降控制施工技术,为类似工程提供了参考。     

考虑地层变异性和土体参数空间变异性的边坡可靠度全概率设计方法

目前边坡稳定设计研究中大多数考虑了土体参数的空间变异性,但忽略了地层变异性的影响。为此,提出了一种同时考虑这两类变异性的边坡可靠度全概率设计方法。在全概率设计框架内,将广义耦合马尔可夫链模型与随机场模型相耦合用于同时表征地层变异性和土体参数空间变异性,给出了所提方法的计算流程。利用澳大利亚珀斯市钻孔资料,以某边坡为例进行可靠度设计,为说明在边坡可靠度设计中同时考虑地层变异性和土体参数空间变异性的重要性,分析了仅考虑土体参数空间变异的情况,进一步分析了同时考虑两类变异性的情况,并对二者进行了比较。结果表明:所提出的边坡可靠度设计方法能够有效地考虑边坡中存在的地层变异性和土体参数空间变异性。当仅考虑土体参数空间变异性时,边坡可靠度设计结果很大程度上取决于所采用地层的分布情况,特别是地层分布中抗剪强度较强土体类型占比高于真实情况时,将导致得到的最优设计方案偏于危险。反之,若地层分布中抗剪强度较弱的土体类型占比高于真实情况,得到的最优设计方案偏于保守。因此,为准确地得到最优设计方案,在边坡可靠度设计中应同时考虑地层变异性和土体参数空间变异性的影响。     

超大直径盾构下穿棚户区沉降控制技术研究

超大直径盾构下穿老旧棚户区微扰动施工控制是地下工程实践中面临的重要难题。本文以武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站区间盾构下穿棚户区项目为工程背景,首先对提出全断面粉细砂层注浆加固工艺并进行浆液配比实验给出最佳浆液配比,并对盾构施工过程进行实时监测监控,根据工程具体情况对盾构机下穿掘进参数进行分析,最后提出超大直径泥水盾构穿越棚户区施工的控制措施。研究结果表明:袖阀管注浆加固工艺对超大直径盾构下穿的老旧棚户区具有较好的保护作用,现场试验确定最佳水灰配比为0.8∶ 1;盾构穿越过程中地表沉降纵向变化呈近似U型分布,横向变形出现明显沉降槽,加固棚户区老旧结构基础最大隆起值为15 mm,建筑结构整体先隆起后减弱,且沉降值控制在15 mm以内;盾构机总推力和刀盘扭矩、盾构机总推力和土舱压力、出土率和土舱压力具有变化规律一致性。研究结果为揭示超大直径盾构下穿老旧棚户区施工过程对地层和地面建筑结构的影响规律提供参考和依据。     

单桩承载力可靠度的非线性摄动随机有限元分析

针对岩土工程中的Duncan-Chang非线性本构模型，提出了二阶非线性摄动随机有限单元法的计算方法。编制了相应的程序。在分析计算中，将随机土性分布参数模拟为轴对称随机场，对随机场的选择方法，随机场的局部平均离散法技术等进行了研究。给出了计算和组集相关随机变量自协方差矩阵的方法。推导出切线弹性矩阵的一阶和二阶偏导数，给出了总体刚度矩阵的偏导矩阵和组集方法，提出了单桩承载力二阶矩的非线性随机有限单元分析方法，研究了土性参数空间变异性和荷载变异性对单桩承载力可靠度指标的影响，并进行了实例计算，研究表明，非线性随机有限元法是研究单桩承载力可靠度的有效方法。     

大直径土压平衡盾构掘进引起的地表沉降分析

为研究大直径土压平衡盾构掘进对地表沉降的影响,以迎宾三路隧道新建工程为背景,基于ANSYS与FLAC3D软件,建立了大直径土压平衡盾构穿越地层的三维模型。数值模拟结果表明,大直径土压平衡盾构施工会引起较明显的地表位移;数值模拟结果与经验公式及实测数据相吻合,证明了该数值模拟结果的可靠性以及等代层在本模型中的适用性;土仓压力取值过大或者过小会破坏土体极限平衡,造成过大的地表位移;当土仓压力在适当的范围内取值时,其大小变化对地表沉降基本无影响。     

全回转清障工艺在复杂环境条件下深基坑施工中的应用

介绍了上海世博北京西路～华夏西路电力电缆隧道工程的5^#工作井地下连续墙施工中,针对施工周边环境复杂、重大风险源较多和地下深层障碍物位置不明确的情况,选用了气动钻机进行探孔灌浆,以及钢套管钻进法的全回转钻机进行深层障碍物清除,既保证了障碍物区域地下连续墙的顺利完成,又保护了临近密集的地下管线和加油站,同时保证了盾构顺利进洞。     

软土地基盾构隧道地表沉降的可靠性分析

本文基于中心点法和Peck公式,推导了盾构隧道地表最大沉降的可靠度计算方法。用软粘土条件下盾构隧道地表沉降的可靠度指标和失效概率说明,该方法为盾构隧道地表沉降的可靠性分析提供了一种新的有效途径。     

基于MCS-TOPSIS耦合模型的岩体质量分类研究

 岩体质量分类是各类岩土工程实践问题的基础,由于岩体指标参数的模糊性和随机性,故岩体质量分类表现出不确定性,而现有分类模型则忽略了这种参数不确定性对分类结果造成的影响。考虑到分类指标参数的不确定性,在岩体质量分类问题中引入概率描述的可靠度分析方法,提出一种蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation,简称MCS)和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,简称TOPSIS)耦合模型。该模型由两部分组成：通过博弈论赋权方法获取分类体系中指标的权重,并结合TOPSIS模型来建立可靠度分析中的极限状态方程;基于MCS方法由TOPSIS模型构建的极限状态方程进行随机的不确定性分析,并通过概率函数给出最终的分类结果。通过25组测试样本对基于博弈论组合赋权的TOPSIS模型进行测试,结果显示该模型的误判率为0,表明MCS-TOPSIS模型中确定性分析的合理性。最后通过Matlab语言编制计算程序,分别由确定性分析和不确定性分析的角度来探讨水布垭地下洞室厂房围岩质量分类。研究结果表明：采用MCS-TOPSIS模型进行岩体质量分类是可行的,该模型具有较高的准确度且易于实现,具有一定的工程应用价值。该研究为岩体质量分类提供了一种新思路。     

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。