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。     

大盾构隧道施工对周边敏感性建筑物的影响研究

依托南京地铁十号线TA03标大直径盾构隧道工程,通过数值模拟研究与工程实测在大直径盾构推进过程中施工参数的改变对周边敏感性建筑物的影响规律。研究结果表明:建筑物的沉降量随注浆浆体弹性模量的增大而减小,适当加大浆体的弹性模量有利于建筑物的保护;注浆压力在一定范围内的变化会对周边敏感性建筑物产生较大影响,当注浆压力超出一定额度时,建筑物的竖向位移以及差异沉降量趋于稳定,不会再随着注浆压力的增大而变化;盾构机推进力对盾构机后方建筑物的沉降影响甚微,当盾构机临近时,盾构机前方建筑物竖向位移量会随着推力的增大而减小,但变化幅度不明显。研究结果对控制因盾构隧道施工引起的周边敏感性建筑物沉降有重要意义。     

新建盾构隧道对邻近既有隧道的影响规律研究

结合某盾构隧道施工的工程背景，利用三维有限元软件数值分析盾构隧道施工对近距离既有隧道的影响。研究表明，既有隧道部分离盾构隧道掌子面越近，其拱顶沉降变化速率越大。既有隧道拱顶沉降量呈现出前期、后期沉降量变化速率较平缓，中期变化速率较大的规律；新建隧道施工时既有隧道的水平变形为由两侧向隧道内凸，其中靠近盾构隧道部分的变形量远大于远离盾构隧道的部分，但两者变形量均在预警值之内。此外，根据现场监测数据的反馈结果判断，盾构施工对既有隧道水平位移影响在安全可控范围之内，盾构隧道施工期间2号线地铁能维持安全运营；既有隧道中施加列车动荷载后，新建盾构隧道的拱顶沉降变化量约为0.1 mm，此变化量对实际盾构施工造成的影响极小，基本可忽略不计。     

新建隧道盾构施工引起邻近地铁隧道沉降分析

以广深港客运专线隧道盾构施工、下穿深圳地铁3号线既有隧道为工程背景,利用FLAC3D软件进行施工过程模拟。探讨了施工过程中新建隧道周边地层位移、既有隧道地面、底部沉降的分布性状以及新建与既有隧道的安全。结果表明,最大沉降点都位于新建与既有隧道的中心线上,沉降分布以各自中心线为对称轴呈左右对称性状,在本地质条件和特定盾构推力情况下,地面沉降和隆起满足要求,既有隧道结构底板沉降满足运营要求。     

矿山与盾构隧道平行段施工相互影响机制

隧道开挖会对周围地层产生扰动,引起地表沉降、近接管线变形,而基于不同施工方法的两条平行隧道,其相互影响机制尚不明确,可能会对隧道的施工造成不利的影响。文中以长沙市轨道交通工程为依托,建立了复合地层中矿山隧道与盾构隧道开挖的数值模型,并针对3种不同典型工况进行模拟,分析后行隧道对先行隧道的影响机制。结果表明后行隧道的地层损失率越大,对先行隧道的变形和受力影响越大;矿山法隧道施工对周围地层的扰动较小,并且矿山隧道在二次衬砌完工后整体性强,刚度较大,在外部作业影响下不易发生变形,矿山隧道完工后再进行盾构隧道施工,可使隧道二次变形最小。研究为矿山隧道与盾构隧道平行段施工顺序设计提供了理论依据。     

盾构近接既有隧道施工地层变形规律研究

依托长沙市轨道交通4号线阜碧区间盾构工程,对盾构近接既有隧道施工地层变形进行现场试验研究,并在此基础上分析总结地层变形规律,研究结果表明:监测断面处地层在盾构机靠近时变形较大、远离时变形较小;靠近隧道轴线处地层沉降较大、远离轴线处沉降较小;从地表至地层一定深度,隧道两侧水平位移均向隧道中心收敛;既有隧道的存在会增强该侧土体抵抗变形的能力,使得新建隧道两侧地层变形不均匀。     

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈“S”型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。     

盾构隧道近距离下穿既有隧道的数值分析

通过对武汉市轨道交通3号线盾构隧道下穿2号线既有隧道工程实例的分析,结合类似地层工程经验提出了盾构隧道近距离下穿既有隧道的工程措施,并运用数值分析的方法,得到了盾构下穿过程中既有隧道的竖向位移与盾构机顶推力、土层加固、盾构机掘进位置的关系,验证了工程措施的可行性,提出了相关建议。     

盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究

以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象,引入各向刚度不等的连续材料模型,按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减,采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景,对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,探讨和揭示围岩条件,隧道净距,顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近,在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的,盾构顶推力需控制在一定范围内,具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定.     

热力管线盾构隧道下穿铁路区地表沉降影响研究

盾构隧道下穿既有铁路掘进施工会引起地基变形及轨道不均匀沉降问题,影响隧道施工和铁路安全运营。为研究盾构隧道掘进过程中对地表变形的影响,依托热力管线下穿京铁路线工程开展研究,采用离心机试验模拟了盾构隧道施工过程中对地表变形的影响。研究结果表明,盾构施工对路基的影响主要集中于25 m范围内,超出该范围的影响可忽略不计;盾构施工过程中,下穿铁路前,路基沉降占整个施工过程引起沉降变形的36%左右,下穿后约占64%;以盾构下穿铁路铁线15 m为界,15 m之前,掘进方向左侧路基沉降大于右侧;15 m之后,掘进方向右侧路基变形大于左侧。研究可为相关工程提供科学依据。     

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。     

重叠隧道盾构施工对先建隧道影响模型试验研究

针对软土地区重叠盾构隧道施工中,由于不同开挖顺序及不同推进速度下既有隧道位移和内力变化规律,设计了4组模型试验,试验结果表明,先上后下施工时,下线隧道的施工引起上线隧道纵向的沉降,且上线隧道管片环向内力发生偏转,拱底两侧内力变化最大;先下后上施工时,上线隧道的施工引起下线隧道纵向隆起,且下线隧道管片环向内力发生偏转,拱顶两侧内力变化最大;不管何种施工顺序,都会引起隧道纵向附加内力,但纵向内力表现为波动性和临时性。从纵向位移及既有隧道的内力改变来看,先下后上施工顺序的安全性优于先上后下的施工顺序。在重叠盾构隧道施工过程中,既有隧道的附加变位和内力值均随着推进速度的增大而增大,并且推进速度的影响范围也相应增大,所以在施工期间,应合理控制盾构机的推进速度,以免对近接既有隧道的结构安全造成较大的影响。     

盾构隧道侧穿地下连续墙的轴线控制研究

既有建(构)筑物的存在改变了周围土层的应力场分布,不可避免地会影响到盾构推进的轴线控制.针对上海市地铁7号线白杨路站-龙阳路站区间隧道长距离侧向穿越龙阳路站出入场线地下连续墙的工程特点,通过建立有限元模型分析了土仓压力及同步注浆压力对盾构机受力平衡的影响.通过分析发现,地下连续墙的存在将使盾构机两侧受到不平衡力的作用.最后通过盾构受力平衡分析,该不平衡力可以通过调整盾构左、右两组推力油缸的推力的措施来解决.     

近距离三线并行盾构隧道施工实测分析

针对上海某地铁近距离三线并行盾构区间隧道的施工影响进行现场监测分析研究.总结归纳盾构施,工对周围深层土体水平位移、深层土体沉降、孔隙水压力的基本影响规律.根据已建隧道的位移、沉降历时曲线和收敛特性,得出了盾构推进对近距离并行已建隧道的施工影响特点.研究结果可为后续类似工程的设计与施工积累经验.     

盾构隧道下穿地铁车站结构沉降特性研究

依托某拟建盾构隧道下穿既有地铁车站工程,考虑实际的工程地质水文条件、隧道施工过程中上部车站结构传递到地基上的荷载、盾构施工参数等因素的影响,建立数值计算模型,模拟盾构隧道下穿施工的全过程,对车站下方有无预埋桩基、不同盾构推力、不同形式预埋桩基条件下车站沉降变形规律进行了分析。研究结果表明:设桩时隧道开挖引起车站底板的沉降变形仅为不设桩的12%,预埋桩基具有约束地铁车站沉降变形纵向扩展的作用;既有地铁车站底板的隆起量随盾构推力的增大而增大,沉降量随盾构推力增大而减小;综合考虑预埋桩基长径比、距径比、排布方式等因素的板凳桩更有利于控制盾构隧道施工对既有车站结构沉降变形的影响。     

黄土地层盾构隧道施工的掘进试验研究

 黄土是一种典型的非饱和结构性土,其强度与土体结构特征密切相关。黄土地层中盾构法隧道施工开挖面稳定性受施工参数影响较大,控制不当容易造成开挖面土体松动或坍塌,严重影响隧道结构安全及周围环境。针对我国首次在黄土地层中修建的地铁盾构隧道西安地铁2号线,采用自主研制的土压平衡式模型盾构机开展室内掘进实验,研究黄土地层条件下盾构掘进对地层的扰动情况以及盾构施工关键参数的匹配问题。研究结果表明,黄土地层中盾构掘进引起的地层横断面沉降曲线与黏性土地层存在差异,曲线形式具体表现为下部呈深V型、上部区域呈缓和的盆状,并得到地层损失率K和地表沉降槽宽度系数i;地表位移时程曲线具有突变性,存在明显的三阶段特点;盾构顶推力的变化直接影响隔舱土压力的变化,掘进过程中隔舱土压力和出土率表现出一定的随机性,出土率有随顶推力的增大而呈减小的趋势,并与推进速度成反比。     

地铁区间土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工控制措施

针对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间隧道下穿既有河道的案例,总结盾构隧道下穿既有河道施工期间盾构机掘进参数和地层加固的工程措施,采用数值方法对盾构机掘进所引起的地层沉降和既有河道地层注浆加固效果进行模拟计算,并对盾构隧道施工期间的监测数据进行分析。结果表明：土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工期所采取的土体改良、土舱压力、掘进参数和注浆加固措施是有效的,保障了地铁双线区间盾构隧道下穿既有河道施工安全与既有河道的正常运行。     

地铁盾构隧道下穿雨污管线影响分析

应用三维数值模拟的方法,以北京某典型地铁盾构隧道下穿雨污管线工程为依托,分析了地铁盾构隧道施工对雨污管线的影响。研究成果表明:1)雨污管线竖向沉降量要远大于水平位移量,管节间的不均匀沉降是管线发生破坏的主要原因。2)盾构隧道与雨污管线正交时,隧道最上方管节受左右两侧管节挤压,为整个雨污管线最薄弱部位;盾构隧道与雨污管线平行时,管线会发生朝掌子面方向的倾斜。3)盾构隧道以较小角度穿越雨污管线时,管线的位移及转角等变化量较小。     

双线盾构隧道二次注浆对既有隧道结构影响研究

基于合肥市轨道交通2号线东延线三护区间平行下穿既有地铁2号线工程,采用FLAC3D软件构建盾构隧道精细化模型,分析不同二次注浆压力下盾构隧道下穿时对既有隧道结构沉降的影响。研究结果表明：二次注浆对既有隧道结构沉降有着显著影响,且注浆压力越大,影响效果越明显,为保证既有隧道结构的安全,注浆压力不宜过大,二次注浆压力应控制在0.3～0.4 MPa;二次注浆浆液配合比为水泥∶水玻璃∶水=0.5∶0.5∶1.0;盾构隧道下穿过程中,既有隧道结构最大沉降值与模拟值基本一致,且二者均呈减小趋势。研究结果可为新建盾构隧道下穿既有隧道结构设计提供一定的工程参考。     

软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响

为了研究并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响,以横琴杧洲隧道工程为依托,建立了并行曲线隧道三维有限元数值模型。在此基础上,研究了不同施工顺序和曲率半径r(r=500,800 m)下新建曲线盾构隧道开挖对既有隧道变形的影响。结果表明:施工顺序对既有隧道位移影响较小,曲率半径对既有隧道位移影响相对较大; 随着曲率半径(r=500～800 m)的增加,既有隧道位移增加约15%; 既有隧道的位移主要在盾构开挖面前方2D(D为隧道外径)、后方1D范围内产生; 施工顺序对既有隧道内力的影响与曲率半径有关; 隧道曲率半径为500 m时,施工顺序对既有隧道内力变化影响规律相似,即离盾构开挖面最近的既有隧道剖面产生的弯矩最大,且最大弯矩和最小弯矩均出现在靠近新隧道一侧; 内侧隧道先开挖时,既有隧道的弯矩(绝对值)更小,此时对于并行曲线隧道施工,内侧隧道先开挖更安全; 在盾构开挖面前方一定距离内既有隧道产生的轴力最大; 隧道曲率半径为800 m时,双线隧道近似于平行隧道,施工顺序对既有隧道内力变化和大小影响较小。