地铁交叉隧道盾构施工的三维有限元分析

某新建地铁隧道工程近距离垂直上穿既有地铁隧道,采用有限元软件Mi das/GTS模拟了新建双线盾构隧道施工对上部地表和下部既有隧道变形的影响。计算结果给出了新建盾构隧道近距离垂直上穿既有双线地铁隧道时的位移变化规律。     

近距离交叉盾构隧道力学行为研究

以成都地铁2号线二期工程近距离交叉盾构隧道为研究对象,采用有限差分方法对砂卵石地层中近距离交叉盾构隧道的结构内力、地层变形、盾构隧道施工过程中对周边环境的影响等进行了数值模拟分析,得出了砂卵石地层近距离交叉盾构隧道施工过程中结构内力分布规律、地层变形特征、对周边既有建构筑物的影响等重要成果,并将数值分析成果与现场监控数据进行对比研究,得出近距离交叉盾构隧道施工力学行为结论,结论直接指导成都地铁2号线二期工程近距离交叉盾构隧道设计及施工,同时也为类似工程提供借鉴.     

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。     

软土隧道盾构近距离下穿U形公路的数值分析

盾构隧道施工经常会穿越各种既有建筑物,因此,保证既有建筑物的正常使用及隧道施工的安全是盾构隧道施工的重中之重。以宁波地铁双线盾构隧道近距离下穿钢筋混凝土U形公路为例,对盾构掘进过程进行了三维数值模拟计算,以综合判断盾构所引起的软土地层变形规律和对上部U形公路的影响,从而给出施工合理化建议,可为类似的盾构穿越工程提供借鉴。     

盾构穿越软土双圆地铁隧道的变形实测分析

为研究新建盾构穿越软土地区运营双圆地铁隧道过程中既有隧道结构的变形特征,依托上海新建轨道交通14号线云山路站—蓝天路站区间盾构近距离下穿运营中的地铁6号线双圆隧道工程,对既有双圆隧道结构的实时监测数据进行分析,并结合施工过程中的关键控制参数调整,展开探讨。结果表明,新建14号线下穿既有地铁6号线的过程中,既有地铁双圆隧道结构隆沉控制在±2 mm内,满足施工要求,证明了施工控制措施的合理性和有效性。根据穿越过程中的实际施工控制参数,明确了类似工程施工过程中应关注的关键技术参数,即合理设置土仓压力、盾尾注浆量可有效控制施工过程对既有隧道结构变形的不利影响,为后续类似工程提供参考。     

基于PFC的盾构穿越既有隧道稳定性分析

新建隧道近距离穿越既有地铁隧道时,不但会诱发地表沉降,并且对既有地铁隧道也将产生不利影响。针对盾构近距离下穿既有隧道施工,构建二维颗粒流数值模型,研究新建盾构隧道近距离下穿既有隧道开挖面破坏形态、支护力与开挖位移关系、纵向地表变形及既有隧道周围土压力分布模式。研究表明:盾构开挖面支护压力随着开挖面位移的增加呈现先增加后减小的趋势,由于既有隧道的存在,开挖面逐渐远离既有隧道时,盾构开挖面支护压力较开挖面逐渐接近既有隧道时大。最大地表纵向沉降值出现在距离既有隧道中心2D范围内,随着盾构推进,新建隧道管片上方土压力表现为平缓增加的趋势,当远离既有隧道时,隧道上方水平土压力整体逐渐增加,盾构开挖面前方区域沿深度方向的土压力呈显著的非线性分布。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和指导。     

大直径盾构近距离下穿既有隧道风险控制研究

为了减少大直径盾构在砂卵石地层近距离下穿既有地铁隧道的不利影响,以北京地铁08标2#风井～3#风井区间盾构工程为背景,从盾构关键部件改造、试验段掘进参数优化、施工过程中采取的措施等方面研究了砂卵石地层大直径盾构顺利掘进并且有效控制既有地铁隧道变形的控制技术。采用数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了盾构掘进过程中既有地铁隧道的变形分布规律,结果表明采取措施后的结构变形满足水平位移±1mm、垂直位移(沉降)3mm以及综合维修轨道变形±3mm的要求,验证了上述风险控制措施的有效性,该工程的顺利实施可为今后类似工程提供有益的借鉴。     

双线隧道开挖对邻近隧道影响的两阶段分析方法

随着我国很多大城市地铁隧道的兴建,大多数隧道设计施工方案都采用双线平行盾构法或暗挖法施工。在地下空间越来越拥挤的城市地区,最重要的研究问题是新建双线平行隧道对既有隧道产生的影响问题。合理预测双线平行隧道施工穿越既有隧道引起的变形是确保既有隧道结构安全和新建双线平行盾构的顺利掘进的关键。考虑新建双线平行隧道施工中对周边土层和既有隧道产生的叠加效应,提出了预测新建隧道引起的邻近隧道纵向变形的两阶段分析方法。首先,考虑新建双线平行隧道引起地层位移的不对称性,计算新建双线平行隧道开挖作用在既有隧道上引起的广义附加荷载。然后,将既有隧道考虑为Pasternak 地基上的Euler-Bernoulli梁,基于 Galerkin 法求解既有隧道纵向变形影响的基本微分方程。通过与工程沉降实测数据进行对比,验证该文提出的预测方法的合理性和结果的准确性。     

盾构隧道下穿既有隧道施工影响的三维数值模拟

地铁隧道的交叉穿越是地下工程领域前沿研究课题之一。隧道开挖施工引起地层位移进而会引起附近既有隧道或其他各类结构的变形,甚至造成灾害。结合广州地铁交叉隧道工程实例,利用三维有限元方法对新建隧道盾构施工进行建模分析,研究了交叉隧道盾构施工对既有隧道位移的影响。结果表明,由于既有隧道的存在,新建隧道盾构施工引起既有隧道产生不均匀沉降和水平位移,分布曲线均符合正态分布。     

地铁盾构隧道穿越大直径越江隧道的影响分析

新建盾构隧道近距离穿越既有隧道时,会对既有隧道结构产生影响。针对地铁盾构隧道下穿大直径越江隧道,在充分考虑衬砌的横观各向同性性质、盾构施工开挖面的支撑力、同步注浆压力、扰动层厚度等因素的基础上,应用三维有限元数值方法,研究了新建盾构隧道施工引起既有越江隧道的变形以及内力的变化规律,同时获得了越江隧道的影响范围。研究结果表明,越江隧道的最大沉降及侧移发生在对称面上,并且对侧移的影响较小;越江隧道经历了加载、卸载、再加载的过程;影响范围集中在垂直于越江隧道轴线方向盾构穿越前2D、穿越后2D的范围内。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

小净距隧道群下穿既有运营隧道离心模型试验研究

以深圳地铁7号线、9号线四条小净距隧道近距离下穿既有地铁1号线工程为研究背景,通过离心模型试验方法,分析了小净距隧道群施工对周围土体应力影响规律,揭示了盾构多次近距离穿越施工引起既有线变形及受力变化机理。研究表明:(1)小净距四线隧道开挖具有明显的"群洞效应",隧道群的形成会导致松动区扩大、土拱向上扩展,从而引起新建隧道承受竖向土压力增加;(2)既有隧道沉降随穿越次数的增多而增大,最终沉降为4次穿越叠加的结果,峰值位置基本位于4条隧道中心线正上方,盾构隧道每次穿越引起沉降增幅为13%~48%,穿越区域横向影响范围可达60 m以上;(3)新建隧道的开挖对既有隧道环向弯矩的影响不大,弯矩变化不超过10%,而对既有隧道纵向弯矩影响较大,随着穿越次数增加纵向弯矩明显增大,这也是隧道下穿施工引起纵向裂缝和渗漏水的主要原因。结合数值模拟计算进行对比分析,得到规律与试验相一致,进一步验证了试验结果对实际工程的可靠性。     

考虑上浮效应的盾构下穿对既有隧道影响研究

新建盾构隧道下穿会对上部既有隧道产生扰动,并可能使隧道产生结构病害。由于盾构管片重量远小于相应开挖土体重量,新建隧道的上浮效应会对既有隧道产生影响。基于两阶段分析法提出考虑新建盾构隧道上浮影响的隧道下穿引发既有隧道纵向变形计算模型,并利用现场实测数据进行验证。结果表明：考虑上浮效应的理论计算结果与实测数据较为吻合;控制新建隧道上浮量或减小新建隧道直径可有效减小由于上浮效应造成的既有隧道隆起变形。研究成果可为全面合理评估隧道下穿对既有隧道的影响提供依据。     

Effects of twin tunnels construction beneath existing shield-driven twin tunnels

This paper presents a case of closely spaced twin tunnels excavated beneath other closely spaced existing twin tunnels in Beijing, China. The existing twin tunnels were previously built by the shield method while the new twin tunnels were excavated by the shallow tunnelling method. The settlements of the existing tunnels and the ground surfaces associated with the new tunnels construction were systematically monitored. A superposition method is adopted to describe the settlement profiles of both the existing tunnels and the ground surfaces under the influence of the new twin tunnels construction below. A satisfactory match between the proposed fitting curves and the measured settlement data of both the existing tunnels and the ground surfaces is obtained. As shown in a particular monitoring cross-section, the settlement profile shapes for the existing tunnel and the ground surface are different. The settlement profile of the existing structure displays a “W” shape while the ground surface settlement profile displays a “U” shape. It is also found that due to the flexibility of the segmental lining, the ground losses obtained from the existing tunnel level and the ground surface level in the same monitoring cross-section are nearly the same.     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

平行隧道开挖引起上方既有隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道大多数采用平行双洞的布置形式作为隧道设计施工方案,根据不同的地层条件等因素采用盾构法或暗挖法施工。由于城市地下空间变的越来越拥挤,研究新建平行双洞隧道施工过程中对邻近既有隧道的影响程度问题显得尤为重要。本文基于两阶段分析方法研究预测平行双洞隧道开挖引起上方已建隧道的纵向变形的简化解析方法。首先,采用两高斯曲线叠加,计算新建平行双洞隧道施工引起的作用在既有隧道上的附加荷载。然后,将既有隧道考虑为Winkler 地基上的Timoshenko梁,建立既有隧道纵向变形的基本微分方程,并基于Galerkin 法进行求解。将本文提出的简化解析方法得到的结果与工程沉降实测数据进行对比以验证本文提出的预测方法的合理性。最后,进行了参数敏感性分析,研究了不同隧道相互位置、地层损失率、相对抗弯刚度和地层土性参数等对结果的影响规律。     

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。     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

过江盾构隧道穿越大堤的地层沉降分析及控制

对杭州庆春路过江盾构隧道施工引起的地表沉降实测数据进行了分析,采用Peck公式对横向地表沉降曲线进行拟合,并对大堤和其他断面地表沉降进行了对比。分析结果表明：盾构在大堤下施工引起的地表沉降更大,原因是盾构施工对周围土体的扰动、大堤结构的复杂性、堤顶车辆对土体施加的循环荷载及降雨等共同作用使堤顶沉降加剧;验证了Peck公式在杭州地区软土地层中预测盾构施工引起地表沉降的适用性,其中地表沉降槽宽度参数K取值范围为0.25～0.31,地层损失率η的取值范围为0.10%～0.34%;结合工程实践,提出了泥水平衡盾构穿越大堤控制地表沉降的措施。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。