考虑隧道反复施工停工时地层变形的时空统一计算方法

目前,隧道施工地层变形的计算很少考虑变形的时间发展过程,更难以考虑施工过程对变形的影响。基于随机介质理论,从单元开挖引起的地层下沉出发,考虑隧道上部地层变形随隧道施工的时间发展过程,通过理论推导,建立了能考虑隧道反复施工停工的地层变形时空统一计算公式。工程算例分析表明,计算方法具有较好的可靠性。进一步通过工程实例计算,对隧道施工地层变形的时空变化过程进行了研究,隧道长时间停工时,其工作面附近的地层变形会有较大程度的增大,对地表建筑设施不利。     

城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究

随着中国城市建设的快速发展,城市地铁、市政道路隧道、各种市政地下隧道在城市中也得到了很大的发展.由于城市中建筑物和地下管线密布,隧道施工将不可避免的引起周边地层的移动和变形,并可能对已有建筑管线设施产生不利影响.在前人研究的基础上,从隧道施工引起的地层移动与变形的机制出发,以随机介质理论为基础,并结合土体固结压密理论以及Mindlin弹性理论等,考虑隧道开挖地层移动与变形的时间-空间发展过程,系统的对城市隧道矿山法及盾构法施工引起的地层移动与变形的相关问题进行了研究,推导了相应的计算公式,并从理论角度探讨了隧道施工地层变形的影响因素及其影响程度.最后结合概率理论探讨了地层变形计算的可靠性,主要完成了以下研究内容:博士学位论文(1) 以随机介质理论为基础,从单元开挖引起的地层变形出发,建立了能考虑隧道反复施工停工、隧道掘进速度变化、隧道地质条件变化、单隧道多分部开挖、多隧道平行或交叠施工及半无限开挖等多种不同施工条件下地层变形的时间-空间统一计算公式,真正实现了对地层变形时空过程的实时预测.(2) 研究了隧道施工地层变形计算参数的确定方法,分析了隧道洞内收敛变形的时间过程,提出了因隧道洞内监测滞后所造成的数据缺失问题的处理方法,确定了隧道洞内地层损失的具体计算方法,进一步研究了地层变形计算参数的动态反分析方法.(3) 针对不同的隧道开挖横断面形状,推导了圆形隧道、椭圆形隧道、马蹄形隧道以及其他任意形状隧道施工引起的地层变形的具体计算公式,并从满足工程应用的角度出发,提出了隧道施工地层变形计算的简化方法.(4) 探讨了岩土降水引起的地层有效应力的时空变化过程,从单元有效应力变化引起的单元体积变化出发,推导了单元土体疏水压缩引起的地层变形计算公式,并进一步讨论了在隧道开挖的同时导致土层部分疏水情况下地层变形时空过程的具体计算方法,解决了疏水引起的地层变形时空过程的计算问题.(5) 从经典的Mindlin弹性理论公式出发,考虑盾构施工推进过程中盾构机位置不断变化的实际情况,建立了盾构施工推进过程的力学计算模型,由此推导了盾构推进工作面附加压力以及盾构机外壁与土层摩擦力作用下隧道周边地层变形的计算公式,解决了盾构法施工隧道工作面附近地层变形在时间和空间上的准确计算问题.(6) 考虑隧道施工过程中地层参数、施工参数等对隧道周边地层变形的随机性影响.将可靠度理论、随机介质理论以及其他相关理论相结合,研究了隧道施工地层变形计算的可靠性;同时针对目前相关计算参数的统计资料还比较欠缺的实际情况,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)理论通过计算机对随机变量进行取样,实现了按可靠度理论对地层变形进行具体计算.(7) 根据理论研究成果,采用VC 6.0和MATLAB联合编程的方法,编制开发了地层变形时空统一计算软件.该软件能实现矿山法隧道、盾构法隧道多分部施工以及施工降水等引起的地层变形的确定性计算、可靠性计算和多维图形显示,并具有计算参数反分析和存储功能,多个工程实例的计算验证了程序的可靠性.(8) 讨论了隧道纵向施工分部前后间距,对向(背)向施工、横断面施工分块、施工掘进速度、地下水位降深和降水井距隧道距离进行研究,盾构隧道工作面附加压力、壳壁与土层摩擦力等施工因素影响下地层变形的时空变化规律,为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据.     

隧道施工工序对地层变形的影响研究

基于随机介质理论,考虑隧道施工过程中周边地层变形的时间–空间发展过程,研究了隧道不同位置多工作面同时施工条件下地层变形的计算方法,推导了相应的计算公式,进一步讨论了隧道对向施工、背向施工、纵向施工分部前后间距等施工因素影响下隧道周边地层变形的变化规律。在双向对向施工条件下,地表上方出现的正曲率和拉伸变形比单向施工时约大一倍,对地表建筑设施不利,隧道施工中应避免在有重要建筑设施地段交会贯通;隧道不同开挖分部纵向间距应大于一倍的开挖影响半径。研究成果为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据。     

基坑开挖及降水引起的地表沉降预测

以随机介质理论、渗流理论和土体压密理论为基础,探讨了一种新的基坑开挖及降水引起的地表沉降的计算方法。推导了基坑降水渗降漏斗曲线方程及考虑水的渗流作用的基坑周边土体中有效应力的计算公式,并由此导出了考虑渗流作用的基坑降水地表沉降计算公式,再利用叠加原理,得到最终的由开挖和降水引起的地表沉降分布计算公式。工程实例分析计算结果表明,距基坑周边8～10m范围以内,基坑开挖和降水引起的地表沉降基本相当,而距坑周20m以外的地表下沉主要由降水引起,因此基坑降水引起的地表下沉不容忽视。本文推导的计算方法能充分反映基坑降水对周边地表下沉的影响,是一种计算基坑开挖及降水引起的地表沉降的有效方法。     

基坑开挖及降水对坑外地表沉降的影响

考虑降水、支护结构变形以及基坑隆起3个因素引起的基坑周围土体的沉降,根据降水引起土体沉降的机理,运用修正的分层总和法单独计算出由降水引起的周围土体沉降。通过研究基坑开挖引起坑外土体沉降的规律,推导出由基坑开挖引起的坑外土体沉降理论公式。把降水引起的沉降及基坑开挖引起的沉降进行叠加,加入修正系数,最终以简化的理论公式合理地计算出基坑周围土体沉降。具体工程验证表明,推导的理论解析解与实测数据十分接近,能有效预估基坑周围土体沉降,为施工方案编制提供可靠的理论依据,最大限度减少基坑施工对周围环境的影响。     

冻结法施工引起的地表沉降及变形预测

冻结法施工时由于土层冻结要发生冻胀,引起地面上升;冻土解冻融化时又会出现融沉,导致地表下沉,故会对地表和周围建筑设施产生不良影响。文章就以下几个方面分析地表沉降及变形：地层冻结引起的地面上升、隧道开挖引起的地表下沉、地层解冻导致的地表沉降以及最终的地表沉降和变形。最后得出计算公式以期指导实际工程施工。     

承载地层隧道开挖二次应力和塑性区的理论预测方法

地铁隧道往往不得不从既有结构基础附近穿过,隧道的施工会扰动周边地层,引起邻近基础及结构的沉降,甚至影响其安全或正常使用。为了预测并控制隧道开挖引起的结构沉降,就需要计算隧道开挖对地层的扰动程度。现有隧道开挖塑性区理论均以自由地层(地层中没有结构基础荷载作用)为前提假设,没有反映承载地层隧道开挖影响的特殊性。考虑均质各向同性理想弹塑性地层,利用自由地层隧道开挖影响的解析解和结构基础荷载影响的解析解,提出一个预测承载地层隧道开挖引起的地层二次应力及塑性区形状和范围的理论方法,并通过算例分析基础荷载形式、大小和位置对隧道开挖塑性区的影响。结果表明,达到一定量值的邻近基础荷载会使隧道开挖塑性区的形状和范围明显地不同于自由地层隧道开挖塑性区,具体与荷载的位置、大小及分布形式有关。     

浅埋隧道施工对上覆地层变形影响的试验研究

以浅埋隧道近接施工引起上覆地层的变形为研究对象,引入透明土试验技术和粒子图像测速技术(简称PIV技术),设计开展了隧道开挖对地层变形影像的透明土模型实验,并且考虑了隧道分部开挖过程中地层变形的动态变化情况。采用量纲分析法推导出模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计了隧道开挖模拟试验模型箱,对不同隧道埋深工况进行了隧道开挖模拟,得到了竖直平面内地层沉降分布结果。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展浅埋隧道开挖模拟试验研究,上覆地层沉降的演变过程与隧道掌子面推进时的相对位置具有密切关系。     

管井降水在厦门地铁隧道施工中的应用

施工降水是困扰城市轨道交通建设的一个重要工程技术难题,特别是厦门地区的花岗岩残积土层中的降水及降水后开挖沉降问题。本文以厦门轨道交通1号线火炬园站～高殿站区间降水为工程背景,收集降水前后和隧道掘过程的地面沉降变形和水位变化数据,分析降水在花岗岩残积土地层轨道交通施工中的应用,从而可以为厦门地区管井降水在轨道交通中的应用提供依据,减少工程造价,提高施工的安全性和效率。对其降水过程前后、隧道开挖过程地表沉降变形和周边水位进行监测,结果表明厦门花岗岩残积土区域管井降水对周边沉降影响有限,隧道开挖卸荷的影响是主要控制因素。本文的研究对指导厦门花岗岩残积土富水地区降水工程具有重要的工程实践意义。     

深基坑开挖对毗邻管网及建筑物安全影响的研究

在城市更新改造过程中深基坑开挖将诱发围岩与地表变形,从而对周围各类市政设施及建筑设施安全产生严重威胁。对某市区富水区深基坑开挖,分析并研究开挖过程对周围建筑和毗邻管网的影响。采用数值分析法系统分析并模拟随着基坑降水以及开挖施工阶段研究对象的位移和变形情况。结果表明初始很小随着距基坑边缘距离增加,地表沉降量逐渐增大,而后地表沉降量逐渐减小,开始降水后地面开始产生大面积下沉。周边建筑和管道的沉降及变形会随着基坑开挖深度的增加而迅速增大。     

紧邻建筑物的浅埋隧道开挖施工方案仿真分析

以重庆轻轨6号线小什字车站区间隧道为例,利用FLAC3D软件建立了由建筑物造成的浅埋偏压隧道计算模型;运用有限差分数值方法对三种不同开挖施工方案进行了数值仿真,得出了浅埋、偏压隧道围岩的地层变形与塑性区的分布受开挖施工先后顺序影响较大.研究结果表明,采用CD法开挖小什字浅埋偏压隧道,首先开挖右导坑是不适宜的;实际施工采...     

黏质黄土地层高铁隧道变形控制基准研究

黄土隧道具有埋深浅、开挖时变形量大、稳定性差的问题,下穿既有建构筑物时,给地表建构筑物的安全带来巨大的影响,需保证开挖过程中变形在规范规定的范围内。针对黏质黄土地层高铁隧道开挖过程中的拱顶及地表变形规律进行分析,结合现场实测数据的分析,得出黏质黄土地层中隧道的沉降量与埋深及开挖方法有直接关系,相同的埋深下地表沉降与拱顶沉降有着显著的线性关系,其比值与施工方法的相关性不大。进一步得出了基于地表沉降控制要求的黏质黄土地层高铁隧道施工变形控制基准:S_v=[δ]/i_H,可供类似工程进行变形控制提供依据。     

偏压富水软岩大断面隧道下穿建筑物地层变形及影响分析

 偏压富水软岩大断面隧道施工引起的地层变形是多方面影响因素叠加的结果。结合武广高铁尖峰顶隧道下穿地表高压输电线塔的工程实践,首先对隧道施工前后地层变形监测和分析提出控制大变形的工程措施,然后采用综合统计和理论分析,研究地形条件、地层产状、隧道和通道施工、地面荷载、地表坍塌造成的地层变形与建筑物位移的关系,最后以流固耦合数值分析为手段对影响地层变形的关键因素进行量化分析。结果表明：(1) 偏压富水软岩大断面隧道下穿工程,地表地形引起的地层变形是影响地表建筑物水平位移和倾斜的主要因素;(2) 地层变形叠加效应对建筑物倾斜的影响存在明显的方向性,当多重因素引起的地层变形产生互逆方向位移叠加时对控制建筑物倾斜有利;(3) 软岩顺层斜坡地面下的大断面偏压隧道施工,地层变形在垂直于隧道轴线两侧呈非对称分布,变形最大区域位于向山坡侧;(4) 从影响地层变形长期效应上看,因施工引起的地层变形增量波动大但收敛快,地表地形引起的地层变形在施工后仍持续发展,成为影响建筑物安全性的长期潜在因素。     

双层含水层抽水引起地面沉降计算模型及沉降量预测

以某商品房住宅小区基坑开挖降水施工引起的地面沉降为实例,建立双层含水层抽水引起的地面沉降量预测数学模型,并用此模型计算的地面沉降量与实际沉降量较为接近,验证该计算模型可行,并可预测不同降深可能引起的地面沉降量。     

深井降水对支护结构和周边建筑物影响的研究

地下水治理是基坑设计与施工中的重要环节，简要分析了地下水对基坑的影响，提出了治理的基本思路和方法。以汉口宝丰时代广场深基坑为例，探讨了深井降水对基坑支护结构和周边建筑物的影响。监测结果表明，降低地下水位对基坑支护结构的变形影响较小，土方开挖结束后变形很快便趋于稳定；基坑周边建筑物的沉降受深井降水的影响较大，土方开挖结束后，沉降变形继续增大。基坑周边建筑物的沉降不仅与降水井的布置和地层有关，而且还与建筑物本身的高度和基础形式有关；对浅埋基础建筑物而言，高度越大，沉降变形也越大。     

厦门海底隧道地层变形监测与机制分析

厦门海底隧道施工过程中,工程技术人员将临着陆域段地层大变形、砂层施工控制、全风化花岗岩地层变形机制以及如何穿越结构交界面和全(强)风化深槽(囊)等诸多难题,这些都迫切需要深入研究海底隧道上覆地层的变形规律以及地层变形发展的机制和控制技术。通过陆域段地层变形实测以及对隧道施工过程进行三维流固耦合数值模拟分析,较好地反应了地层变形的分布、发展规律,地下水的运行、作用机制,以及地层大变形发生的力学原因。同时,也较好地描述了海底隧道中围岩-衬砌结构-超前支护-注浆加固-地下水,这一结构体系在地层变形中的相互影响和相互作用。研究结果可为海底隧道陆域段顺利施工提供了技术参考和安全保障,也为即将通过海域软弱风化深槽作研究准备。研究结果表明,考虑流固耦合作用的数值模拟结果与现场监测、观测结果具有良好的一致性,进一步说明围岩、地下水以及相应的施工控制是海底隧道的三大核心技术要素。     

隧道开挖引起地表下沉及其影响分析

针对地下隧道开挖引起的地表下沉问题,运用概率统计理论建立了数学模型,并根据BP神经网络理论,通过对BP神经网络算法的改进,采用反分析方法确定岩体移动变形参数。利用所建模型对隧道开挖引起的地表垂直移动(下沉)进行了具体的计算分析,将理论计算值与实测下沉值进行对比,二者十分吻合。对比结果表明,所给出的数学分析模型及参数确定方法符合工程实际,为解决地下隧道开挖引起地表下沉预计分析问题开辟了新的途径。