土压平衡盾构土仓压力设定及与地表沉降关系研究

介绍了土压平衡盾构的工作原理及侧向压力的计算方法,并以北京地铁某盾构区间为背景,以上土压为例计算了侧向压力,利用FLAC数值模拟软件分析了不同土仓压力下开挖面土体的位移及地表沉降情况。分析后认为:土仓压力对地表沉降的影响主要集中于盾构施工早期阶段,当土仓压力接近于原始地层侧向应力时,对控制地表位移最有利;结合实测数据后认为,盾构施工引起地表沉降是多重因素共同作用的结果,仅靠提高土仓压力对控制地表沉降的作用是有限的。     

地铁EPB盾构不同地层土仓压力设置问题研究

根据南京地铁一号线玄武门站～南京站站区间隧道EPB盾构掘进参数以及地表累计沉降等反馈信息,重点对盾构穿越不同地质条件时如何合理设置土仓压力进行了研究。利用ANSYS建立了三维有限元模型,对盾构掘进过程进行了模拟,对土仓压力高低与地表隆沉之间的关系作了定性分析,依据土仓压力偏高或偏低对工程的实际影响和危害,提出了在富水软土地层土仓压力设置的原则;对EPB盾构在不同地层条件下的土仓压力和地表监测资料作了分析,得到了在南京粘性土和砂性土中土仓压力设置的经验公式和相应参数的取值,其结果可供今后类似工程参考。     

盾构开挖面土仓压力对地层变形影响分析研究

本文以地铁区间盾构隧道施工为背景,采用有限元分析法,应用有限元软件研究了盾构推进过程中开挖面土仓压力的变化对周围土体变形的影响情况,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比分析,得到了开挖面土仓压力的变化对工作面上土体以及盾构前方地表的影响的变形规律。分析结果表明:盾构推进引起的地表竖向位移最大值分布于隧道轴线上;开挖时开挖面土仓压力应控制在2.4bar～2.8bar;土仓压力过大会导致前方地表产生隆起,所以土仓压力不宜大于2.8bar。     

复合地层盾构施工土仓压力对地表沉降的影响

鉴于上软下硬复合地层不仅具有软岩地层的不稳定性,又有硬岩的强度。如果在该种地层盾构施工的土仓压力控制不当,易造成地面塌陷。文章以深圳地铁五号线工程地质条件为实例,通过FLAC3D有限元软件对上软下硬地层条件下盾构施工土仓压力的变化对周边土体位移的影响进行了数值模拟,并与实测结果进行对比。研究表明:在上软下硬复合地层中,掘进时应保持较高的土仓压力与掌子面的压力平衡,地表沉降的范围与沉降的最大值都随着土仓压力的增大而减小。计算所得沉降曲线与实测沉降曲线基本吻合,可为类似工程提供借鉴。     

珠海城际轨道交通工程大直径土压平衡盾构施工参数试验研究

盾构掘进过程不可避免地会对地层产生扰动,合理的选取盾构掘进参数对控制地层变形和提高掘进效率至关重要。珠海城际轨道交通工程采用大直径土压平衡盾构机掘进,采用现场试验和数值模拟的方法对全断面淤泥质土断面的土仓压力进行了现场的掘进试验和数值分析,利用现场实测数据对土仓压力对地面沉降的影响、不同土仓压力比情况下的推力进行了研究,并探讨了盾构机由全断面淤泥质土地层进入上软下硬地层扭矩和推力的变化情况。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

上软下硬地层中土仓压力变化对地表变形的影响研究

以深圳地铁14号线大～宝区间盾构工程为依托,研究在不同土仓压力下上软下硬地层地表沉降变形影响规律.为解决上软下硬地层条件下盾构不同土仓压力对地表的变形问题,提高土仓压力设置的准确性,从现场实际工况入手,结合现场实际地层情况,建立上软下硬地层模型,计算现场地表纵向和横向方向的地表沉降规律,并根据现场检测情况,为盾构穿越上...     

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。     

地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析

采用有限元软件ABAQUS建立了盾构隧道三维有限元分析模型,模拟了盾构施工的整个过程。利用添加移除技术以及设置场变量等方法实现了开挖面土体卸荷、管片拼装以及注浆等施工过程,研究了盾构开挖过程中地表沉降的规律,分析了不同土仓压力对地表沉降的影响,探讨了盾构施工微扰动控制要点。计算结果表明,盾构开挖面前方地表出现隆起,且随着开挖面的前移而前移,隧道轴线地表在开挖结束后呈隆起趋势。地表横向沉降量随土仓压力的增大而增大,表现为隆起趋势,隧道轴线与两侧土体沉降量差值随着土仓压力的增大而减小。     

富水圆砾地层土压平衡盾构掘进参数优化研究

如今盾构法施工在地铁建设中已得到广泛应用,砂卵石、软土等地层的盾构施工技术日趋成熟,而富水圆砾地层的盾构施工技术研究较匮乏。本文依托南宁轨道交通2号线三十三中~苏卢站盾构掘进区间,对富水圆砾地层段和圆砾泥岩复合地层段土压平衡盾构掘进参数进行对比分析,并对圆砾地层土仓压力取值范围的计算方法进行讨论。研究结果表明,圆砾地层掘进参数波动幅度较小,其中,盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力三者存在相似的变化趋势,土仓压力则有所增长。复合地层中掘进参数中盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力波动幅度更明显,但土仓压力基本保持稳定。采用Terzaghi松动土压力或静止土压力计算值作为圆砾地层土仓压力取值上限更为合理。三苏区间采用的掘进参数对地表沉降基本控制在5mm以内,对圆砾地层盾构施工具有借鉴意义。     

土压平衡盾构施工引起的挤土效应研究

土压平衡盾构施工通常会对周围土体产生挤压作用,导致地面隆起和深层土体向远离隧道方向移动。考虑土体的初始应力场,假定土体是均匀线弹性材料,通过向掘进机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟盾构挤土过程,在假定小应变情况下,推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解。考虑空间效应,给出了修正计算公式,并作了一个算例分析。分析结果表明:过大的支护压力、掘进机偏斜、掘进机与土体的摩阻力以及注浆压力都会引起挤土效应,产生的地面隆起最高点位于轴线两侧,挤土过程会减小施工结束时的沉降值和沉降槽宽度,且所得理论计算结果与实测数据较吻合。     

Laboratory model tests and field investigations of EPB shield machine tunnelling in soft ground in Shanghai

In the last decades, many studies have been presented by different scholars on the environmental problems induced by the shield tunnelling in soft ground. But it mainly concentrated on ground surface settlement, tunnel surface stability and the influence to existing structures. Among them, little attention was paid to soil disturbance caused by the mismatch of machine’s operation parameters. In order to reveal this inherent relation, a series of laboratory model tests were carried out in the 1/16 scale for a field tunnel in practice where the tunnel had 6.4 m diameter. The tests to simulate earth pressure balance (EPB) shield tunnelling in soft ground were conducted with a microshield machine (0.4 m diameter). Measurements were carried out simultaneously in each test for total jack thrust force, cutting torque, chamber pressure, mucking ratio, ground surface displacement, and earth pressure. Based on the analysis of test results under different overburden ratio, cutterhead aperture ratio and screw rotation speed, the relationships between machine’s operation parameters themselves and its influence on disturbance to surrounding soil mass were discovered. Such discoveries were also verified by the field investigations. These results are useful for engineers and technicians to select suitable and serviceable machine operation parameters and reduce environmental influence at all stages of tunnel construction.     

地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟

在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，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隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。     

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。     

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。     

考虑多因素的类矩形盾构施工引起土体竖向位移研究

基于Mindlin位移解和随机介质理论,考虑正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力、附加注浆压力和土体损失,研究类矩形盾构施工引起的土体竖向位移及各因素的影响。研究土体损失的过程中引入了开挖面收敛模式参数α和纵向损失率修正公式。研究结果表明:考虑多因素的土体竖向位移预测值与实测值较吻合,能反映出纵向地表沉降曲线在开挖面附近及后方地表出现隆起和沉降逐渐发展的过程;随着深度的增加土体沉降值增大;隧道轴线两侧的土体沉降增量要大于轴线正上方,沉降曲线呈W型。该方法也可以用于分析土仓压力不均的工况,此时开挖面前方的沉降曲线不再对称;正面附加压力减小,开挖面前方地表沉降值增加,反之,沉降值减小。     

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据,结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息,分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明,土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布;土体损失率随着埋深或深径比的增大,呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势,且两者关系可近似采用幂函数拟合;当H大于20m或H/D大于3.25时,土体损失率基本稳定在0.75%附近,且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应,说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失;土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大,且趋于稳定,说明固结变形对名义土体损失率的影响较大,最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。     

板岩地层盾构掘进对地层扰动的现场试验研究

长沙地区板岩的特点是遇水易软化、崩解,目前未见对该地层盾构掘进引起地层扰动的相关研究。以长沙地铁2号线西延线一期工程为依托进行了现场试验,监测内容包括:地表沉降、土体水平位移、土压力和孔隙水压力,同时记录掘进参数。通过分析得知:(1)板岩地层盾构总推力、扭矩和土仓压力是同步变化的,埋深不变时土仓压力随着隧道断面内微风化板岩所占比例的增加而增大;(2)地表沉降、土体水平位移、土压力和孔隙水压力随着切口到断面距离的变化规律基本一致;(3)各测点横向地层位移最大值约为轴向的1.1~2.6倍;(4)根据土体应力随切口到断面距离变化规律,将应力扰动分为缓慢减小段、波动段、缓慢变化段和恢复段4个阶段。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。