地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用

地铁施工诱发地层沉降与环境损伤的预测与控制是亟待深入研究的重要课题。地铁区间隧道多是同一埋深建造的两条近距离平行隧道，两隧道开挖对地层沉降的影响往往相互叠加，沉降预测更加困难．本文研究了双孔平行隧道施工诱发地表横向及纵向变形的修正Peck法与随机介质法计算公式；对于地铁双孔平行隧道开挖，基于部分实测沉降数据的Powell最优化理论方法，实现了Peck法与随机介质法各自的多参数反分析预测；开发出了地铁隧道施工诱发地层环境损伤预测评价与控制设计的STEAD系统；对多处双孔平行隧道工程实进行了理论预测和验证，实测沉降证明了理论方法与STEAD程序系统的科学性和有效性．     

基于非均匀收敛模式的双线地铁隧道施工诱发地层变形规律分析

基于位移控制理论,采用双线开挖椭圆化非等量径向土体位移收敛模式,提出了双线地铁隧道施工诱发周围地层变形的位移控制点源解析方法以及位移控制数值模拟方法.算例结果表明,位移控制方法可以充分考虑隧道施工引起的地层损失,可以较好地预测双线平行地铁隧道开挖引起的土体变形.成果可为合理制定双线平行地铁隧道开挖对周围土工环境的保护措施提供一定的理论依据.     

地铁隧道施工引起地层变形的反分析预测系统

地铁施工诱发地层环境损伤的众多问题中，地层沉降的预测与控制是急待深入研究的重要课题。为此，研究开发出了地铁隧道沉降预测(STSP)系统；给出了随机介质理论预测隧道施工诱发地表横向和纵向变形的计算公式；基于最优化理论的共轭方向加速法，研究了地铁隧道施工引起地面沉降的Peck法与随机介质法各自的多参数反分析方法；并将理论公式与反分析法编程实现；实例分析证明了理论方法与程序系统的科学性和可靠性．     

软土基坑引起下卧隧道隆起的非线性流变

软土地区深基坑开挖改变了周边土体的初始应力,引起周边土体的位移,对周边构筑物造成不均匀沉降、混凝土开裂等不利的影响,并且可能危及临近地铁隧道的安全.对基坑开挖引起的下卧隧道的隆起变形进行了研究并提出了实用的预测方法.基坑开挖土体卸载引起的土体变形采用了Boussinesq应力解进行求解,隧道反力引起的土体变形采用了弹性半空间Mindlin应力解进行分析.隧道本身变形采用了弹性的地下连续梁进行分析,并且考虑隧道与土体的相互作用.通过引入软土的非线性流变模型,考虑了软土变形的时间效应,因此可以对复杂开挖过程进行模拟分析.还对基坑开挖对隧道隆起的效应进行了讨论,通过上海市某重点工程实例的隧道隆起量的预测结果与实测值对比分析,隧道隆起的监测结果证实了该方法的有效性.     

隧道开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法

隧道开挖过程中必然引起周围土体的侧向移动,从而使邻近桩基产生水平变形和附加弯矩。目前有限元数值模拟法建模与计算过程较为繁琐,为了解决隧道开挖下桩土相互作用问题,基于Winkler地基模型,采用两阶段分析方法,建立了隧道开挖条件下被动桩受力分析模型,推导出桩土相互作用控制方程,并基于有限差分思想给出近似解的形式。最后结合工程实例表明,该近似解与现场监测数据较为吻合,能够有效地分析隧道开挖对邻近桩基的影响。     

支护压力控制下隧道周围砂土变形破坏物质点法模拟

为了探究隧道周围砂土地层在支护压力减小过程中的变形破坏机理,利用能够进行岩土大变形分析的物质点法（MPM）对该过程进行数值模拟. 研究隧道周围土体的剪切带特征、土拱效应、MPM地面沉降槽形态以及支护压力与地层位移间的关系;验证该数值方法研究隧道诱发变形的可靠性. 对比预测结果与已有试验和理论表明,MPM能够准确预测出隧道支护压力降低引起的地层变形和极限支护压力,并且可以得到地层整体失稳及坍塌后的变形行为. 在此基础上,分析隧道埋深比和砂土内摩擦角对变形过程中土拱效应强弱、极限支护压力和地层变形的影响.     

西安地铁盾构施工地表沉降影响因素研究

针对盾构施工过程中诱发的地表沉降量预测问题,将地表下沉视为一随机过程,运用随机介质理论对地表下沉量进行预测计算,将隧道周围的收敛量ΔR分为3个组成部分,即开挖面处应力释放引起的超挖量、偏心超挖量以及盾尾施工间隙.目的是为了在利用随机介质理论预测地表沉降量时,将盾构过后隧道周围的弹塑性位移对盾尾施工间隙的影响考虑进去,使得预测结果更加可靠.提出的计算断面收敛量的方法并结合随机介质理论预测得到的地表沉降数据和沉降曲线趋势与实际结果符合.并通过计算发现此二维弹塑性位移对盾尾施工间隙的影响不容忽视.考虑了盾尾弹塑性位移后的预测结果与实测结果更加接近.     

平行双孔隧道开挖变形三维数值分析

基于Gibson土建立平行双孔隧道的三维实体结构计算模型,考虑衬砌与周围土体的共同作用,并在盾构开挖面处施加表面力以模拟切削刀盘的推进力效应,分析平行双孔隧道同步开挖及不同滞后距离异步开挖时隧道相互作用所引起的周边土体变形及收敛形式。研究表明,平行双孔隧道异步开挖时,滞后距离对超前开挖隧道周围的竖直沉降影响微小,而对后挖隧道断面竖直沉降以及左右隧道水平位移的影响较大;随两隧道间距的增加,开挖时相互的影响会随之减小。     

基坑开挖对下卧既有地铁隧道变形规律研究

研究基坑工程下卧既有地铁隧道的变形规律,可以为基坑安全施工、控制隧道变形、提高隧道运营的安全稳定提供参考依据。文章依托青岛梅岭东路地下通道工程,基于Mindlin解与弹性地基梁理论,推导了基坑工程开挖时隧道附加应力与变形量的计算公式,并采用有限差分软件,模拟基坑工程开挖对下卧既有地铁隧道的变形影响,对比分析了地表沉降和地层竖向变形的理论、实测和数值结果。结果表明：基坑开挖时,距钻孔灌注桩<20 m,围护桩后地表沉降与测点距围护桩距离成正相关;隧道衬砌结构竖向和水平位移分别与基坑开挖深度成正相关,至基坑开挖完成后,其竖向和水平最大位移分别为9.35和2.15 mm。     

基于遗传算法的浅埋隧道开挖地表沉降神经网络预测

分析了城市浅埋隧道开挖地表沉降的主要影响因素,并建立了基于遗传算法的神经网络浅埋隧道开挖地表沉降预测模型.使用有限元数值模拟正演算法获得神经网络模型学习样本,对模型进行学习训练.该预测模型在某市轻轨隧道地表沉降预测中进行使用,结果表明:基于遗传算法的神经网络对隧道开挖地表沉降的预测是可行的,预测结果比较准确,能较好地指导隧道施工,确保地表建筑物的安全.     

隧洞破碎带围岩失稳破坏模式及控制措施研究

为了解决在隧洞开挖过程中遇到节理带、断层等软弱破碎岩带时,发生大变形、塌方等围岩失稳破坏等问题,需提前或及时做好围岩支护措施,以确保洞室围岩的稳定及施工安全。本文以长河坝水电站泄洪洞工程为研究对象,通过对现场勘测资料、隧洞开挖施工方案及工程地质条件等的综合分析,确定了软弱破碎带围岩稳定的主要影响因素,提出了隧洞破碎带围岩的典型失稳破坏模式。针对隧洞破碎带处围岩的潜在失稳问题,综合采用超前支护、开挖后及时进行喷锚+钢支撑+锚筋束联合支护,并通过有限元手段对隧洞围岩支护方案的加固效果进行了分析。有限元计算结果表明,隧洞破碎带处经及时加强支护后,围岩变形得到有效地控制,避免了洞室围岩失稳破坏现象的发生;现场监测数据及实施效果也表明及时加强支护措施对围岩稳定控制的有效性。     

裂隙岩体中隧道开挖流固耦合模型及开挖诱发损伤分析

裂隙岩体中隧道开挖会诱发强烈的流固耦合效应,从而引发显著的岩体损伤和水压力扰动,针对该问题,首先建立了一种计算裂隙岩体中隧道开挖和后续排水诱发损伤和裂隙变形的流固耦合模型,然后对不同参数化裂隙网络进行了模拟,最后针对模拟结果给出了实例分析。研究结果表明:所建模型可有效模拟含裂隙网络的岩体中隧道开挖和后续排水降压过程以及岩体损伤发展、裂隙变形和地下水渗流过程;岩体裂隙网络显著影响应力分布的均匀性,隧道开挖和地下水渗流的耦合作用造成隧道周围极易出现高应力区,且局部应力、裂隙变形和水压力之间呈现出显著相关性;不同裂隙网络的分布特征在隧道开挖诱发损伤发展中起到主导作用,进而影响隧道开挖扰动区和损伤区的形成与发展程度。     

不同长度注浆锚杆支护效果及围岩变形曲线规律

为了探究注浆锚杆支护作用效果,以吉林甄峰岭隧道已出现大变形的软弱围岩区为例,分析了不同注浆范围条件下隧道循环进尺开挖后围岩变形规律.根据大变形区域实测位移进行反演分析,获取隧道围岩真实力学参数,分别对不同注浆锚杆施工支护方案进行循环进尺开挖计算,获得了各方案下隧道各位置位移变化曲线,并采用单元安全度方法对计算结果进行评价.结果表明,目标工程的注浆锚杆最佳应用长度为3 m,其作用效果主要体现在对急速变形阶段变形量的控制.     

超大断面隧道软弱围岩控制机制及应用

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展交叉中隔墙(center cross diagram, CRD)法和双侧壁导洞开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩、不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护和H型钢拱架+锚杆支护四种支护方式下隧道围岩变形、支护构件受力变化规律,并研究超大断面隧道软弱围岩控制机制。同时对H型钢+锚网喷联合支护方式在超大断面破碎围岩隧道进行了CRD和双侧壁导洞两种开挖方法下的现场试验,拱顶沉降分别稳定在27.2 mm和18.7 mm,很好地控制了围岩变形、保证了现场初期支护安全。     

隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法

通过系统分析国内外隧道围岩大变形案例,发现应力场、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形孕育发生的根本条件,并严格受构造控制,进而提出构造软岩大变形的基本概念;根据大变形的构造控制理念与发生机理,对隧道构造软岩大变形分类进行了重新界定(断层型、碎裂型和小夹角型).以岩石强度应力比为基础,突出构造运动影响,量化考虑...     

海底隧道施工设计及其数值优化研究

某海底隧道地质条件异常复杂,覆岩被多处断层破碎带相割呈区域性林状分布,高外水压处断层及破碎带施工是隧道安全控制的关键所在.依据该海底隧道的初步设计方案,采用大型数值计算软件FLAC3D系统研究了水下岩石完整带和破碎带隧道开挖的稳定性及最优施工方案,分析了不同施工工法及支护参数对岩体变形、破坏特性的影响,并确定了海底隧道主、辅洞开挖相互影响效应,以便为海底隧道工程的施工决策提供量化资料和技术支持.     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

Numerical evaluation of new Austrian tunneling method excavation sequences: A case study

The main aspects that require attention in tunnel design in terms of safety and economy are the precise estimation of probable ground conditions and ground behavior during construction. The variation in rock mass behavior due to tunnel excavation sequence plays an important role during the construction stage.The purpose of this research is to numerically evaluate the effect of excavation sequence on the ground behavior for the Lowari tunnel project, Pakistan. For the tunnel stability, the ground behavior observed during the actual partial face excavation sequence is compared with the top heading and bench excavation sequence. For this purpose, the intact rock parameters are used along with the characterization of rock mass joints related parameters to provide input for numerical modelling via FLAC 2D. The in-situ stresses for the numerical modelling are obtained using empirical equations. From the comparison of the two excavation sequences, it was observed that the actual excavation sequence used for Lowari tunnel construction utilized more support than the top heading and bench method. However, the actual excavation sequence provided good results in terms of stability.     

Model test to investigate failure mechanism and loading characteristics of shallow-bias tunnels with small clear distance

Based on the similarity theory,a tunnel excavation simulation testing system under typical unsymmetrical loading conditions was established.Using this system,the failure mechanism of surrounding rock of shallow-bias tunnels with small clear distance was analyzed along with the load characteristics.The results show that:1) The failure process of surrounding rock of shallow-bias tunnels with small clear distance consists of structural and stratum deformation induced by tunnel excavation; Microfracture surfaces are formed in the tunnel surrounding rock and extend deep into the rock mass in a larger density; Tensile cracking occurs in shallow position on the deep-buried side,with shear slip in deep rock mass.In the meantime,rapid deformation and slip take place on the shallow-buried side until the surrounding rocks totally collapse.The production and development of micro-fracture surfaces in the tunnel surrounding rock and tensile cracking in the shallow position on the deep-buried side represent the key stages of failure.2) The final failure mode is featured by an inverted conical fracture with tunnel arch as its top and the slope at tunnel entrance slope as its bottom.The range of failure on the deep-buried side is significantly larger than that on the shallow-buried side.Such difference becomes more prominent with the increasing bias angle.What distinguishes it from the "linear fracture surface" model is that the model proposed has a larger fracture angle on the two sides.Moreover,the bottom of the fracture is located at the springing line of tunnel arch.3) The total vertical load increases with bias angle.Compared with the existing methods,the unsymmetrical loading effect in measurement is more prominent.At last,countermeasures are proposed according to the analysis results: during engineering process,1) The surrounding rock mass on the deep-buried side should be reinforced apart from the tunnel surrounding rock for shallow-buried tunnels with small clear distance; moreover,the scope of consolidation should go beyond the midline of tunnel(along the direction of the top of slope) by 4 excavation spans of single tunnel.2) It is necessary to modify the load value of shallow-bias tunnels with small clear distance.