考虑岩土参数空间变异性的盾构隧道地表沉降分析

现有随机场理论能够较好地描述单一岩土参数的天然随机性、空间结构性和局部奇异性。当前面临的挑战是如何考虑多个土层、多元及统计相关的岩土参数空间变异性对岩土工程的影响。考虑岩土参数如黏聚力、内摩擦角和压缩模量等具有明显的空间变异性,将随机场理论引入盾构隧道地表沉降可靠指标分析。主要研究工作包括:(1)采用局部均值方法将多个非平稳土层同一岩土参数转化为平稳各向异性随机场变量,并给出随机场的统计特征;(2)简化岩土参数的空间变异性为一般变异性,直接采用响应面方法计算盾构隧道地表沉降可靠指标;(3)提出协同序贯高斯离散算法,在空间网格上实现多元岩土参数随机场的同步离散化,并基于经典Monte-Carlo随机模拟原理和盾构隧道数值计算,直接统计地表沉降的可靠指标;(4)引入子集Monte-Carlo随机模拟加速算法。将以上方法应用于天津~#5、~#6地铁环湖西路站—宾馆西路站区间盾构隧道四线交叠工程,结果表明,采用经典随机理论描述岩土参数的变异性,所得到的盾构隧道地表沉降可靠指标小于基于随机场理论的对应值。该结论为复杂盾构隧道的施工控制与设计优化提供了理论依据。     

不同地层盾构隧道管片力学行为研究

盾构隧道施工过程中管片衬砌由于受力复杂,容易发生局部破损的情况。文章依托深圳城市轨道交通5号线区间隧道盾构施工,在现场基于测试方法研究了管片衬砌在施工中的力学行为,对比探讨了隧道下穿软硬不均地层、粘土地层和上覆建筑物的全风化花岗岩层中衬砌所承受的轴力和弯矩。研究结果表明:不同地层中盾构隧道的力学性能有较大差异,但是它们的力学性能变化阶段是一致的。即:当管片刚拼装完成时,在盾壳的保护下,内力较小;管片内力在管片脱出盾尾后达到最大峰值;当管片拼装上一定时期后,管片内力趋于稳定,其内力一般较管片刚脱出盾尾时要小。     

软硬地层条件下盾构隧道管片衬砌力学分析

分析隧道底部切入基岩不同深度时盾构隧道管片结构内力和变形,结果表明随着岩层厚度的增大,弯矩、剪力和变形先增大后减小,而轴力变化不大;当岩层厚度相同时,错缝拼装的弯矩和剪力比通缝拼装的要大而变形要小、轴力变化不大,故设计时隧道底部岩层厚度应控制在1/4D以内或3/4D以上。     

盾构隧道千斤顶推力对管片力学响应影响分析

以上海隧道股份有限公司承建的昆明市轨道交通2号线二期工程六甲站—龚家村站盾构区间隧道为工程背景,通过MIDAS/GTS软件建立三维有限元非连续接触有限元模型,对盾构隧道推进过程中不同千斤顶推力情况下的管片力学响应进行模拟,并针对千斤顶推力相对于管片表现出的应力应变而产生的实际影响,进行科学系统的综合分析。结果显示:横向水平变形和竖直变形呈减小的趋势,轴向水平变形随着推力的增大而增大,管片的错台量减小;与此同时,由于管片环的持续推移,轴向水平方向由于负载千斤顶推力而引发的变形程度逐步降低;每环管片的最大拉应力和最大压应力均位于连接螺栓手孔处,因此可以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象;值得一提的是,当千斤顶推力逐步递增的过程中,管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力,将会首先缓慢降低,又逐渐增大,说明适宜的千斤顶推力有利于管片受力,但是推力过大会导致管片破损。经由本篇论文所获得的研究结果,将能有助于针对地铁盾构进行科学有效的施工控制。     

盾构近距下穿既有线地层力学响应和变形特性分析

为解决盾构始发近距下穿既有线沉降控制难度大、施工安全风险高等难题,以某区间盾构近距下穿既有线为例,利用有限元建立近距下穿既有线数值计算模型,分析盾构下穿施工过程中地层力学响应和变形特性及对既有线的影响,模拟注浆加固效果,结论表明：盾构下穿施工过程,对既有应力影响较小,注浆时既有线随盾构掘进的沉降曲线较为平稳,注浆对位移有一定的控制作用,研究为盾构掘进提供科学依据与参考。     

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...     

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。     

考虑地层渗透性的盾构隧道施工期管片上浮预测

地层渗透性影响盾尾同步注浆浆液的凝固,从而影响施工期管片上浮。针对目前施工期管片上浮分析缺乏考虑地层渗透性影响的不足,将同步注浆浆液视为牛顿流体、土层简化为多孔介质,利用渗透力学及流体力学原理,提出渗滤效应下同步注浆浆液固结时间的计算方法;进而将不同地层浆液固结时间、浆液性质及施工掘进速度等因素,表征为管片上浮分析的等效梁模型中的浆液未凝固区长度,对等效梁模型进行改进,建立考虑不同渗透性地层中同步注浆浆液固结特性的管片上浮分析模型,并编制有限元程序对其求解。利用此模型对南宁某含粉砂–圆砾、砂层及粉质黏土等地层的盾构区间施工期管片上浮特性进行分析,结果表明:考虑地层渗透性影响的等效梁模型进一步揭示了地层特性影响管片上浮的作用机制,其计算结果与现场实测数据具有更好的一致性,更适合于不同渗透性地层管片上浮分析。同时得到,地层渗透性越小,同步注浆浆液固结时间越长,盾尾浆液压力消散越慢,管片上浮量值越大。     

大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明：①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁-弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

软土地层盾构隧道施工期监测分析

通过对施工期现场的跟踪监测以及数据分析,对沿海软土地层下大直径泥水平衡盾构施工过程中开挖面距离及不同施工步序对地下水位、地表沉降、隧道整体变形等的影响进行研究,对部分监测数据进行分析及对比,得出相互之间的关系及沉降变化特征。其中地表沉降研究主要针对开挖面距离对地表沉降的影响以及实际沉降槽形状与理论结果的分析对比;隧道整体变形研究主要包括成环隧道沉降与开挖面距离的关系以及洞周收敛的变化规律。从分析结果可见:此工程泥水平衡盾构隧道在施工过程中的地表沉降以及隧道整体变形基本符合过往研究结果,其存在的差异性本文也从理论及现场实际情况两方面予以分析。以期对未来类似工程提供参考意见。     

大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明:①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁–弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

隧道围岩力学特性的敏感性分析

在深埋软岩引水隧洞工程中,为掌握隧洞施工期围岩变形特征,开展对隧洞支护时机的研究,需要确定准确的岩石力学参数以反映真实的围岩力学特性。文章依托实际隧道工程,借助有限差分软件FLAC3D建立反映隧洞开挖支护工序以及蠕变过程的三维数值仿真计算模型,采用极差法研究隧洞围岩基本力学参数对围岩变形的影响,并确定待反演参数;基于正交试验设计构建25组待反演参数组合,代入到数值模型中进行计算,得到监测断面各测点位移值。研究结果表明,隧洞围岩参数敏感性大小排序为：弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比。在隧洞施工过程中,掌子面附近围岩变形受开挖扰动影响明显,随着时间的延后,位移不断增大但位移速率逐渐减小至一稳定值。     

考虑地层变异性和土体参数变异性的边坡可靠度分析

现有边坡可靠度分析大多数只考虑土体参数的固有变异性,而忽略了地层变异性的影响。为此,提出了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的边坡可靠度分析方法,利用耦合马尔可夫链模拟地层分布,采用基于乔列斯基分解的中点法离散土体参数随机场,采用有限元强度折减法计算边坡安全系数,通过蒙特卡洛法模拟进行边坡可靠度分析。利用澳大利亚珀斯市钻孔资料,以边坡可靠度问题为例阐明了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的重要性,研究了钻孔布置方案对边坡可靠度的影响规律,结果表明:提出的方法能够有效地反映地层变异性和土体参数固有变异性对边坡可靠度的影响。当钻孔数目较少时,模拟的边坡土体类型分布与真实边坡土体类型分布相差较大,此时忽略地层变异性将导致边坡可靠度不精确的估计结果。钻孔布置方案对边坡失效概率和安全系数有明显的影响,钻孔应尽可能多的布置在边坡关键影响区域。边坡失效概率和安全系数统计量与钻孔数目并不呈单调关系,但是随着钻孔数目的增加,边坡失效概率和安全系数统计量逐渐收敛至"精确解"。     

盾构隧道衬砌近接桥桩的施工力学响应及影响分析

衬砌结构作为盾构隧道主要承重结构,其受力特性直接决定隧道能否安全使用,运用有限元分析软件模拟不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工过程,分析衬砌结构近接桥桩的施工力学响应,结果表明:注浆压力在0.1MPa~0.5MPa范围内,随着注浆压力的增加衬砌管片的最大隆起值和最大沉降值均减小,水平最大正位移值与负位移值均增大,且管片的弯矩与剪力逐渐增大,轴力逐渐减小,其中水平位移与轴力的变化率较大;近接群桩距离的改变,衬砌管片的内力与变形均随着距离的增大而减小,逐渐接近于无桩时的状况,其中管片的沉降最大值与轴力的减少幅度较大。研究结果为类似工程提供参考。     

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。     

上海软土地层的盾构隧道

上海位于长江三角洲东端。第四纪冲积层,厚度大而地质松软,地下水位高。在这种地层下开挖隧道是一件很困难的工作。作者在本文中全面介绍了上海隧道建设公司用自己设计和制造的直径4.2～10.2米的盾构,从1963年第一个试验隧道开始,在过去15年中在上海建造的总长6.7公里的隧道工程。文中介绍了预制混凝土管片衬砌、螺栓连接和榫接密封防水的技术以及用井点降低地下水的经验。 作者还介绍了他们曾取得的掘进记录,但因受盾构质量影响,未能正常保持。     

岩溶地区盾构隧道变形参数敏感性分析

针对岩溶地区盾构隧道工程,采用有限元软件Midas GTS NX建立了本构模型,选取了黏聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比4种土体参数以及盾构隧道埋深进行敏感性分析。通过分析可知：黏聚力的改变对盾构隧道拱顶和拱底相对变形量影响最大,摩擦角的改变对盾构隧道拱腰相对变形量影响最大,相关结论为类似工程提供了参考。     

盾构隧道近接下穿既有隧道地层变形分析

以深圳地铁12号线盾构下穿隧道为研究背景,通过数值模拟分析了盾构掘进过程中地层变形。较坚硬地层盾构下穿施工,地表沉降值不超过1 mm。既有隧道削弱了掘进对地表变形的影响,导致地表沉降曲线在既有隧道位置出现回升。     

南京典型地层盾构隧道地表沉降分析

以江苏省南京市宁和城际TA03标段铁—春盾构区间隧道为例,结合现场实测地表沉降数据,对南京典型地层下盾构施工引起的地表沉降规律进行了分析。结果表明,地表沉降受地层稳定性影响较大,硬质地层占比越高,地层稳定性越好,盾构施工产生的地表沉降值越小;地层稳定性越高,纵向地表由隆起变形转为沉降变形的速度越慢。     

盾构施工地铁隧道地层损失率计算分析

目前,国内地铁隧道建设较多采用盾构法施工,过程不可避免地引起了周围地层的损失,损失的大小是判断施工对周围环境影响程度的主要依据。本文提出了在隧道上方地面布设监测点的方法,通过地面沉降槽准确计算该断面地层损失率,为类似地层中的盾构施工提供了借鉴。