城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究

随着中国城市建设的快速发展,城市地铁、市政道路隧道、各种市政地下隧道在城市中也得到了很大的发展.由于城市中建筑物和地下管线密布,隧道施工将不可避免的引起周边地层的移动和变形,并可能对已有建筑管线设施产生不利影响.在前人研究的基础上,从隧道施工引起的地层移动与变形的机制出发,以随机介质理论为基础,并结合土体固结压密理论以及Mindlin弹性理论等,考虑隧道开挖地层移动与变形的时间-空间发展过程,系统的对城市隧道矿山法及盾构法施工引起的地层移动与变形的相关问题进行了研究,推导了相应的计算公式,并从理论角度探讨了隧道施工地层变形的影响因素及其影响程度.最后结合概率理论探讨了地层变形计算的可靠性,主要完成了以下研究内容:博士学位论文(1) 以随机介质理论为基础,从单元开挖引起的地层变形出发,建立了能考虑隧道反复施工停工、隧道掘进速度变化、隧道地质条件变化、单隧道多分部开挖、多隧道平行或交叠施工及半无限开挖等多种不同施工条件下地层变形的时间-空间统一计算公式,真正实现了对地层变形时空过程的实时预测.(2) 研究了隧道施工地层变形计算参数的确定方法,分析了隧道洞内收敛变形的时间过程,提出了因隧道洞内监测滞后所造成的数据缺失问题的处理方法,确定了隧道洞内地层损失的具体计算方法,进一步研究了地层变形计算参数的动态反分析方法.(3) 针对不同的隧道开挖横断面形状,推导了圆形隧道、椭圆形隧道、马蹄形隧道以及其他任意形状隧道施工引起的地层变形的具体计算公式,并从满足工程应用的角度出发,提出了隧道施工地层变形计算的简化方法.(4) 探讨了岩土降水引起的地层有效应力的时空变化过程,从单元有效应力变化引起的单元体积变化出发,推导了单元土体疏水压缩引起的地层变形计算公式,并进一步讨论了在隧道开挖的同时导致土层部分疏水情况下地层变形时空过程的具体计算方法,解决了疏水引起的地层变形时空过程的计算问题.(5) 从经典的Mindlin弹性理论公式出发,考虑盾构施工推进过程中盾构机位置不断变化的实际情况,建立了盾构施工推进过程的力学计算模型,由此推导了盾构推进工作面附加压力以及盾构机外壁与土层摩擦力作用下隧道周边地层变形的计算公式,解决了盾构法施工隧道工作面附近地层变形在时间和空间上的准确计算问题.(6) 考虑隧道施工过程中地层参数、施工参数等对隧道周边地层变形的随机性影响.将可靠度理论、随机介质理论以及其他相关理论相结合,研究了隧道施工地层变形计算的可靠性;同时针对目前相关计算参数的统计资料还比较欠缺的实际情况,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)理论通过计算机对随机变量进行取样,实现了按可靠度理论对地层变形进行具体计算.(7) 根据理论研究成果,采用VC 6.0和MATLAB联合编程的方法,编制开发了地层变形时空统一计算软件.该软件能实现矿山法隧道、盾构法隧道多分部施工以及施工降水等引起的地层变形的确定性计算、可靠性计算和多维图形显示,并具有计算参数反分析和存储功能,多个工程实例的计算验证了程序的可靠性.(8) 讨论了隧道纵向施工分部前后间距,对向(背)向施工、横断面施工分块、施工掘进速度、地下水位降深和降水井距隧道距离进行研究,盾构隧道工作面附加压力、壳壁与土层摩擦力等施工因素影响下地层变形的时空变化规律,为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据.     

隧道施工工序对地层变形的影响研究

基于随机介质理论,考虑隧道施工过程中周边地层变形的时间–空间发展过程,研究了隧道不同位置多工作面同时施工条件下地层变形的计算方法,推导了相应的计算公式,进一步讨论了隧道对向施工、背向施工、纵向施工分部前后间距等施工因素影响下隧道周边地层变形的变化规律。在双向对向施工条件下,地表上方出现的正曲率和拉伸变形比单向施工时约大一倍,对地表建筑设施不利,隧道施工中应避免在有重要建筑设施地段交会贯通;隧道不同开挖分部纵向间距应大于一倍的开挖影响半径。研究成果为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据。     

考虑时空效应的隧道开挖及降水引起的地层变形计算

隧道降水及开挖引起的地层变形在时间上和空间上是不断发展变化的,目前国内外针对这一问题的研究大多只考虑最终的地表沉降。本文采用随机介质理论和岩土固结压密理论,考虑隧道开挖前降水以及隧道开挖施工引起的地层变形随时间的变化过程,对隧道开挖及降水引起的地层沉降和变形进行分析,推导相应的计算公式。工程算例分析表明,推导的计算方法具有较好的可靠性。进一步的计算分析表明,隧道降水引起的地层沉降较大,对隧道周边建筑设施不利,当降水井距隧道较近时,降水及开挖引起的地层变形在最大值处相互叠加,使得最终的地层变形值很大。因此,为保护隧道周边的建筑设施,降水井应距离隧道有一定的距离。     

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

新建隧道下穿既有隧道施工时，由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响，地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛，基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系，对传统随机介质理论进行了简化和改进；应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法，对非均质地层和既有隧道进行了等效处理，提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型，结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明：与传统随机介质理论相比，预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点，与数值计算及现场实测结果的关联度更大，具有更高的合理性和准确性，为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。     

考虑盾构隧道埋深影响和岩土特性影响的地表变形计算

盾构施工引起地层变形的众多计算方法中,随机介质理论法和Peck法是我国应用较为广泛的两种实用方法,但这两种方法的计算参数均不太容易确定。根据46例工程实测资料,绘制出地表最大沉降与隧道相对埋深的关系图。结果表明:当盾构隧道相对埋深小于5时,盾构施工引起的地表最大沉降值变化较大;当盾构隧道相对埋深大于5时,其对地表最大沉降的影响较小。对于大部分浅埋城市地铁隧道而言,应该考虑盾构隧道相对埋深对地层变形的影响。基于盾构施工引起地层移动不均匀模型的地表最大沉降计算式,依据随机介质理论法和Peck法,推导出考虑土质软硬、隧道半径和埋深影响的地层变形实用计算方法,并通过对5个工程实例的分析,验证此计算方法的合理性。     

乌鞘岭隧道F7断层施工力学行为研究

结合软岩隧道工程地质和支护特点,对乌鞘岭隧道F7断层软岩施工中的力学性态进行了计算分析.对于施工中出现的软岩挤压大变形问题,从岩体流变学和隧道施工力学的观点与方法出发研究围岩的受力和变形,分析了隧道施工过程的三维时空效应,有机地耦合了作业面的空间效应和软岩时效特性.考虑围岩流变特性,分析了围岩-支护系统变形、受力随时间发展规律,并将计算成果和现场实测数据进行了比较验证,以使力学计算更好地参与到隧道信息化设计和施工中.     

基于MAMPSO-RBFNN的盾构地表变形时空演化智能预测

以某地铁越江盾构隧道实际工程为背景,基于Weibull-ARIMA时间过程模型与改进随机介质理论的空间分布模型,建立了盾构隧道地表任意点变形随盾构掘进的时空演化计算模型,将RBF神经网络与MAMPSO算法进行有机结合,提出了基于MAMPSO算法的RBF神经网络耦合系统辨识模型及其学习算法,并基于此算法完成盾构施工地表变形时空演化预测系统的辨识。工程算例结果分析表明,该模型成功应用于某地铁越江盾构隧道右线穿越长江堤防地表变形时空演化过程的预测,具有较高的计算效率和预测精度,能实现地铁盾构隧道施工过程地表变形的时空演化预测智能化。     

正交下穿施工对上部既有隧道安全的影响研究

本文首先对新建隧道下穿上部既有地铁隧道的类型进行了划分,对此类工程既有隧道的变形特征进行了总结。进而,在假定隧道正交下穿施工引起的地层沉降槽符合高斯曲线、既有隧道与周边地层的变形趋势一致的基础上,基于弹性地基梁模型,推导了计算既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影响而产生的纵向沉降曲线表达式、纵向应力计算公式以及既有隧道所能承受的极限沉降表达式。形成了定量评价新建隧道垂直下穿施工对上部既有地铁隧道纵向变形和内力影响的理论计算方法和思路。通过与具体工程实例监测结果的对比分析,上述方法所得计算结果与实测值吻合较好,可以满足工程使用要求,对今后类似工程的设计和施工很有借鉴意义。     

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。     

新建隧道斜交下穿引起既有隧道变形计算研究

基于Peck理论,假定隧道变形随着地层变形而发展,考虑隧道相互交叉角度的影响,将既有隧道视为连续弹性地基梁,提出了新建地铁隧道斜交下穿既有隧道引起既有隧道纵向变形的一种计算方法,并以重庆市轨道交通四号线一期工程为例,结合实际监测数据证明了该方法的适用性。     

盾构隧道上方基坑工程施工难题与对策

在盾构隧道上方修建大型基坑时,如何防止基坑开挖卸荷引起隧道变位是一个工程难题。南京某基坑工程,采用旋喷桩加固地基,并在开挖中考虑软土的时空效应规律,减少了对其下方盾构隧道的影响,取得了良好的工程效果。     

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。     

基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践

 以上海广场基坑工程下的已建隧道的保护为工程背景, 结合软土基坑隆起变形的残余应力法和软土的卸荷模量, 探索了利用坑内加固和基坑工程的时空效应施工法等措施来控制民用建筑基坑下的已建成隧道的上抬变形。经实践证明,这两种措施的有机结合能成功有效地确保已建隧道的正常运营。该工程为以后同类工程的设计、施工提供了十分宝贵的资料, 有很大的理论与实践意义。     

基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策

上海市闸北区大宁商业中心基坑东侧围护体距离已运行地铁隧道的最小净距仅为5.45 m。本文主要介绍了该工程中为控制隧道变形采取的设计技术措施:盆式开挖配合钢管斜坡撑代替大面积支撑、地铁侧坑内被动区采用水泥土搅拌桩加固和遵循时空效应原理的设计开挖工况等。同时针对本工程设计以变形控制为主的特点,采用了三维连续介质有限元法分析了开挖所引起的环境效应,其中土体采用修正剑桥模型模拟。同时采取了不同计算方案对比分析了采用抽条开挖的有效性,为设计和施工提供了有益的参考。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

盾构隧道同步注浆引起的地表变形分析

壁后注浆是盾构隧道施工的关键环节,对控制地表变形影响显著。为建立同步注浆引起的地表变形计算理论,在分析同步注浆对隧道周围土体的作用机理的基础上,将同步注浆对地层的压力效应概化为半无限弹性体中的柱形孔扩张问题,采用镜像法导出了同步注浆引起地表变形的计算式。通过一具体实例,分析了影响同步注浆引起地表变形的因素,结果表明：同步注浆引起的地表变形值受注浆压力、隧道埋深、隧道开挖半径、初始水土压力、土体弹性模量、泊松比等因素影响。     

深层搅拌桩施工引起下方隧道位移的研究

为了减少基坑开挖引起地铁隧道的位移,采用大面积深层搅拌桩进行加固,但加固施工时也会引起地铁隧道的隆起,需对其进行严格的控制。结合上海东方路下立交工程,对在地铁隧道上方大面积加固深层搅拌桩引起隧道的竖向位移进行了理论分析。考虑深层搅拌桩施工卸荷、隧道等效刚度以及隧道上方部分加固土体对隧道回弹的抑制等因素,推导了基于弹性地基梁理论计算隧道竖向位移的预测方法。在研究的基础上,提出了大面积深层搅拌桩施工对运营地铁隧道位移的控制方法,可以在相似工程中直接应用。     

运营地铁隧道上方基坑施工技术研究

采用高压旋喷桩及SMW工法桩加固隧道上方软土地基,可减少基坑土体卸载在时间和空间上的不均衡性引起隧道纵向产生不均匀的变形;运用时空效应理论进行分析,确定一次性卸载量、卸载范围及沿隧道纵向的卸载次序,拟定基坑开挖方案;施工阶段结合监测数据进一步优化、调整开挖次序,使隧道变形曲线趋于缓和．