双圆隧道盾构推进对周围环境影响的现场监测

结合中国第一条双圆隧道工程施工,对双圆隧道盾构推进对周围环境影响的现场监测方法进行了论述.文章以双圆盾构隧道区间施工为实例给出了双圆盾构推进过程中周围土体的变形、土压力、水压力变化的监测方法与测点布置方案,据此监测方案,可以详细监测与分析盾构推进过程中周围土体的地表变形、深层土体变形及土体中的土压力、水压力的变化,从而揭示盾构推进对周围的土体环境的扰动影响规律.     

双圆隧道盾构推进对周围环境影响的现场监测

结合中国第一条双圆隧道工程施工,对双圆隧道盾构推进对周围环境影响的现场监测方法进行了论述.文章以双圆盾构隧道区间施工为实例给出了双圆盾构推进过程中周围土体的变形、土压力、水压力变化的监测方法与测点布置方案,据此监测方案,可以详细监测与分析盾构推进过程中周围土体的地表变形、深层土体变形及土体中的土压力、水压力的变化,从而揭示盾构推进对周围的土体环境的扰动影响规律.     

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。     

基于FLAC 3D地铁盾构施工地层竖向变形研究

盾构隧道施工会对周围土体产生扰动,当土体沉降和变形过大时,会对邻近地下管线产生危害。采用统一土体移动模型解计算盾构隧道施工引起的土体自由位移场,通过能量方法建立变分控制方程,得到盾构隧道施工引起地下管线竖向位移的计算方法。为了预测盾构施工地铁隧道时隧道地层变形情况,采用FLAC3D岩土模拟软件对地铁穿越富水砂卵石地层进行模拟分析,可对类似工程有所助益。     

新建盾构隧道施工对近接平行隧道的影响分析

针对软土地层中浅埋大直径盾构隧道施工对既有近距离平行隧道的影响,以上海人民路越江隧道工程为背景,采用三维有限差分数值分析方法对南线隧道施工引起北线隧道的变形和洞周土压力的变化规律进行了研究。数值模拟结果表明新建隧道施工会使既有隧道侧向受压,引起既有隧道拱腰部位产生较大的压缩变形,拱顶及仰拱部位产生较大的张拉变形。新建隧道掘进过程中,既有隧道周围土压力经历增加、减小和趋于稳定三个状态。将数值计算结果与现场实测资料进行对比分析,表明计算值与实测值基本一致。此外,数值计算还有效弥补了现场实测在土体位移分布和土体塑性区形成方面的不足,计算结果表明受新建隧道施工影响,既有隧道周围地层位移和塑性区范围都有增加。研究结果可以为浅埋大直径近距离越江盾构隧道的设计和施工提供参考。     

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。     

盾构施工对地下管线影响数值模拟研究

城市地铁隧道盾构施工过程中,由于地层损失引起周围土体变形,从而造成既有近接管线中产生附加应力。过大的附加应力会导致管线破坏,对城市运行造成较大影响。本文采用ABAQUS有限元计算平台,针对隧道与既有近接管线垂直工况,对盾构施工过程中隧道周围土体变形以及近接既有管线的变形和受力特性进行了分析。结果表明隧道正上方的土体随着埋深的增大沉降逐渐增大且各个沉降槽曲线均呈高斯分布;管线变形曲线与土体开挖面所在平面的沉降槽曲线相似,也服从高斯分布;并且隧道周围既有管线对周围土体沉降具有抑制作用。     

盾构法施工过程的有限元模拟

在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上,对部分仿真模拟细节进行了改进,改进了水平荷载的施加方法,用"等代层"来模拟盾尾建筑空隙,用预设单元的刚度迁移来模拟盾构的推进过程。通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中地表土体的位移与变形,计算得到的隧道横断面和隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据比较接近,结果证明了模拟方法是可行的。     

盾构隧道施工过程的有限元分析

盾构隧道开挖过程中周围土体应力重分布以及衬砌结构与土体相互作用,是盾构施工过程中地层扰动的内在原因,是有限元分析的关键因素,本文针对软土地区的特点,利用大型通用有限元软件ABAQUS对盾构隧道施工过程进行了有限元模拟,并通过一实际问题的计算表明本文所用的计算方法是有效可行的     

朝上盾构施工引起土体变形的数值模拟研究

朝上掘进盾构机从水平隧道始发向上掘进过程中,会导致周边土体变形。采用三维有限元模拟软件MIDAS GTS NX对过程进行建模,利用网格激活钝化、改变网格参数与属性的方法,模拟朝上掘进盾构施工的实际过程,得到隧道周边土体的变形规律,研究不同竖向隧道长度、不同朝上盾构掘进速度等因素对土体变形造成的影响。研究结果表明,在朝上掘进盾构的掘进过程中,地表土体离竖井中心点距离越近,其沉降呈现出先增加后减少,甚至隆起的情况,水平位移相比于竖向位移改变量较小;竖向隧道长度越长,土体及水平隧道因盾构向上掘进产生的扰动就越大;而施工时朝上盾构掘进速度越慢,对于土体的竖向扰动影响就越小。     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

Optimal earth pressure balance control for shield tunneling based on LS-SVM and PSO

To avoid ground deformation in the process of earth pressure balance (EPB) shield tunneling, it is necessary to keep the earth pressure balance on excavation face. However, at present the earth pressure control depends mainly on operation experiences which is hysteretic and could result in slow response to the change of earth pressure. To solve these problem, a predictive control strategy for earth pressure balance during excavation is proposed in this paper, where an earth pressure prediction model taking advance speed and screw conveyor speed as the control parameters is established by means of least squares support vector machine (LS-SVM). Further, by minimizing the difference between the predicted earth pressure and the desired one, an optimization model of the control parameters is established, and solved by the particle swarm optimization (PSO) algorithm. Therefore, an optimal EPB control scheme for shield tunneling automatically is presented here. The simulation results demonstrate that the method presented in this paper is very effective to control earth pressure balance.     

土压平衡盾构土舱压力建立机制及设定准则研究

 土压平衡盾构掘进施工中,土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。结合超大直径土压平衡盾构施工的上海市迎宾三路隧道工程,利用理论分析和实测数据分析的方法对土压平衡盾构的土舱压力建立机制和设定准则进行研究。基于进出土平衡理念研究土舱压力建立过程中各施工参数间的关系,提出开挖面土体挤压量这一概念以揭示土舱压力的建立机制。建立盾构刀盘的细化模型,分析刀盘挤压作用下盾构开挖面上土体的挤压情况。基于控制开挖面土体不发生二次扰动的理念,提出土压平衡盾构土舱压力的设定准则,并对该土舱压力设定准则进行工程应用。现场监测数据显示,盾构掘进施工引起的地表隆沉得到有效的控制。     

Artificial neural networks for predicting the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling

Numerous empirical and analytical relations exist between shield tunnel characteristics and surface and subsurface deformation. Also, 2-D and 3-D numerical analyses have been applied to such tunneling problems. Similar but substantially fewer approaches have been developed for earth pressure balance (EPB) tunneling. In the Bangkok MRTA project, data on ground deformation and shield operation were collected. The tunnel sizes are practically identical and the subsurface conditions over long distances are comparable, which allow one to establish relationships between ground characteristics and EPB – operation on the one hand, and surface deformations on the other hand. After using the information to identify which ground- and EPB-characteristic have the greatest influence on ground movements, an approach based on artificial neural networks (ANN) was used to develop predictive relations. Since the method has the ability to map input to output patterns, ANN enable one to map all influencing parameters to surface settlements. Combining the extensive computerized database and the knowledge of what influences the surface settlements, ANN can become a useful predictive method. This paper attempts to evaluate the potential as well as the limitations of ANN for predicting surface settlements caused by EPB shield tunneling and to develop optimal neural network models for this objective.     

Determination of the cutterhead torque for EPB shield tunneling machine

Cutterhead torque is an important parameter for the design and operation of earth pressure balance (EPB) shields. Based on the analysis of several completed project cases from job sites, the conventional torque determination model based on experimentation proves rough enough to be improved. Composition and corresponding calculation method of cutterhead torque are presented, taking into account of cutterhead structure, cutting principle and the interaction between cutterhead and soil. Considering a Φ1.8 m EPB test machine in the lab, theoretical calculation following the improved model and test are carried out with three typical types of soils. Calculation and test results indicate that the cutterhead torque varies with geological conditions apparently, and the opening ratio of the cutterhead as well as earth pressure turns out to be the two most important factors in determining the cutterhead torque. The test results also show that the torque calculation formula for EPB shield tunneling can reasonably predict the excavation torque required by the cutterhead in clay soil tunneling, but for cohesionless tunneling, soil conditioning reduces the amount of torque necessary.     

土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间关系研究

为保证开挖面稳定及控制地面沉降,土压平衡盾构掘进时必须合理匹配各施工参数。基于模型试验结果,推导土压平衡盾构的3个基本方程式,进而得到土压平衡盾构2个总平衡方程式,建立土压平衡盾构掘进的数理模型。在此基础上推导总推力、土仓压力、螺旋机转速、掘进速度间关系的数学表达式,利用盾构施工的现场数据验证关系式的正确性。利用现场掘进数据统计刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力间的经验关系式。这些关系对土压平衡盾构设计时的参数选择和匹配有重要的指导意义,可以应用于土压平衡盾构施工时的参数控制。土压平衡盾构掘进的连续性方程为土压平衡盾构掘进时的地面沉降控制提供了新的研究思路。     

Effect of jet-grouting on surface settlements above the Aeschertunnel, Switzerland

The Aeschertunnel is a large shallow non-circular tunnel that was excavated in glacial moraine and Molasse bedrock. In the sections, where the excavation was in the glacial moraine, the construction procedure included the use of a jet-grout arch ahead of the tunnel face for excavation support. Measurements taken during the jet-grouting process and the excavation of the tunnel heading suggested a settlement trough much narrower than that observed using conventional NATM tunneling methods. The volume losses were limited to 0.35%, approximately the volume losses achieved with slurry shield and EPB TBM tunneling. A numerical back-analysis was performed on the surface settlements where jet-grouting was used. The back-analysis suggests that the narrow settlement trough results from localized shear bands that were induced by high pressures associated with the jet-grouting.     

软土地层中的圆形隧道载荷模式研究

对圆形隧道作用荷载的影响因素，如隧道埋深、施工工艺以及计算方法等作了系统分析。通过对作用在上海软土地层中的3条隧道上的土压力实测值的分析表明，作用在隧道上的土压力值及其分布规律不仅由于隧道的施工方法（挤压盾构或者EPB盾构）有较大差异，而且在隧道的施工阶段和正常使用阶段也不同。在隧道施工阶段，挤压盾构法隧道衬砌呈现“竖鸭蛋”变形，而EPB盾构隧道衬砌则呈现“横鸭蛋”变形。根据经典的主动土压力理论和静止土压力理论计算出的隧道侧压力小于现场的实测值，且二者的偏差较大。根据本文提出的圆形隧道土压力的余弦变化规律理论对3条隧道的荷载进行计算，计算结果与实测值吻合得很好。