地表均布超载作用下软土地区既有盾构隧道对地层相对挤压量的计算方法

关于地表超载对既有盾构隧道的影响,现有的分析计算理论忽略了既有隧道与地层的相互作用,由此计算得到的盾构隧道周围的附加土压力与实际不符。基于模型试验结果,分析既有盾构隧道与地层的相互作用,提出采用"两状态对比法"分析地表超载作用下盾构隧道对地层的相对挤压状态,并根据盾构隧道与地层的相互作用关系,推导盾构隧道对周围土体的水平和竖向相对挤压量计算公式,为下一步理论计算地表超载导致的隧道周围附加土压力奠定基础。盾构隧道对周围土体的相对挤压分析表明:在地表超载作用下,水平相对挤压量可简化为三角形,水平地层抗力范围约为72°;当隧道穿越土层的竖向压缩量大于隧道的竖向收敛变形时,隧道对地层产生竖向相对挤压,竖向相对挤压量与隧道变形及穿越土层的压缩模量有关。     

地表超载作用下软土地区既有盾构隧道与地层的相互作用分析

关于地表超载对既有盾构隧道的影响,现有分析计算理论将包含盾构隧道的地层视为完全土质地层,忽略了地表超载过程中既有隧道与地层相互作用导致的盾构隧道周围附加土压力。从盾构隧道上覆土层的土体间沉降状态来看,地表超载与隧道原有上覆土层对盾构隧道的影响不同,有必要单独考虑地表超载对既有盾构隧道的影响。在模型试验的基础上,开展既有盾构隧道与地层相互作用分析。结果表明:地表超载导致的既有盾构隧道附加土压力与隧道穿越土层、上覆土层及下卧土层的物理力学性能有关,也与盾构隧道的横向刚度有关;若按照现有理论计算软土地层中既有盾构隧道的允许地表超载,结果偏危险。     

基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算

在盾构掘进过程中,由于刀盘的挤压作用,土仓压力不等于掘进面土压力。为研究二者的关系,提出基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算方法。建立模拟盾构掘进的ANSYS三维模型,结合盾构前方土体(或构筑物)的实测变形数据,调用ANSYS优化分析模块计算盾构掘进面土压力。该方法的适用区域为:位移监测点位于主要受掘进面土压力挤压作用区域的土体内。以上海地铁7号线上行线隧道斜下穿既有地铁2号线下行线隧道盾构施工工程为例,采用该方法对掘进面土压力进行计算分析。结果表明:该方法在本工程中的适用范围为盾构掘进刀盘距既有隧道中心线6～18m的区域;掘进面土压力约为土仓压力的1.17倍。     

基坑开挖引起下卧既有隧道变形的简化计算方法

为得到基坑开挖对邻近下卧既有隧道变形受力影响，提出一种可预测基坑开挖对下卧隧道竖向变形影响的简化计算方法。采用Mindlin解获得基坑开挖引起既有隧道轴线处的附加应力，将隧道假定成无限长Euler-Bernoulli梁搁置在Vlasov地基；引入隧道侧向土体的影响，考虑既有隧道两端约束，进一步得到隧道竖向变形差分解。工程案例研究表明：与既有文献中有限元数据和实测数据对比，验证了该方法计算结果的合理性；与将隧道搁置在Vlasov地基模型(EB-V模型)和Winkler(EB-W模型)地基模型的解析计算结果比较，本文方法计算结果更贴近实测数据。进一步参数研究表明：隧道与基坑中心间距、隧道埋深以及土体模量的增大会引起隧道竖向变形及内力减小；随着既有隧道抗弯刚度逐渐增大，隧道竖向变形会逐渐减小，但会引起既有隧道内力增大。     

类矩形盾构隧道开挖引发土体沉降解析解研究

类矩形盾构隧道施工可能会导致明显的土体沉降,并进一步影响周围既有建筑物的安全。基于Verruijt解和积分法推导得到类矩形盾构隧道开挖作用下的土体响应解析解,并充分考虑土体等量径向收缩、类矩形隧道竖向、水平向以及旋转位移4个变形分量的影响,以全面描述复杂施工或地层情况下类矩形盾构开挖引发的土体位移模式。利用实际工程实测数据验证解析解的有效性,并通过参数分析研究各个变形参数对地表土体沉降的影响。研究结果表明,解析理论计算结果与实测数据较为吻合,可较好地评估类矩形盾构引发的土体沉降,类矩形隧道的水平位移和旋转位移会使地表沉降呈现非对称形态,并会使最大地表沉降增大。     

基于地表位移控制的浅埋盾构管片壁后注浆压力确定方法北大核心

采用考虑卸载模量的硬化土小应变模型,模拟分析了不同埋深盾构隧道施工时地表竖向位移随管片壁后注浆压力的变化规律,并从盾构施工微扰动控制角度探讨了壁后注浆压力的确定方法。结果表明:随壁后注浆压力增大,不同埋深下地表竖向位移均可分为沉降敏感阶段、稳定阶段和隆起敏感阶段;壁后注浆压力应在隧道顶部上覆土自重应力的基础上进一步增大,以顶起上覆土,弥补超挖引起的地表沉降;当地层损失补偿率与地层损失率接近时,可达到盾构施工微扰动控制要求,据此提出一种综合考虑地表竖向位移、地层损失率、地层损失补偿率的壁后注浆压力范围确定方法。     

近距离下穿既有隧道的盾构施工参数研究

采用数值模拟方法分析不同埋深的既有隧道下方土压力分布规律可知:既有隧道对其下方土压力的横向和深度影响范围均为隧道外直径的1.5倍,且沿横向分为3个区域,即接近既有隧道的逐步降低段、穿越时保持最低位和穿出的逐步增加段;既有隧道下方最小土压力与上覆土厚度呈负指数关系,与距离隧道底的间距呈对数关系。根据既有隧道下方土压力的分布规律,提出近距离下穿既有隧道的盾构施工参数设定应分为3个区,并给出各区长度和施工参数建议设定值的计算公式。结合某隧道近距离下穿运营中的既有隧道工程可知,施工参数的实测值与建议设定值吻合较好,且将既有隧道的竖向变形控制在5 mm内。     

下穿砂土地层掌子面盾构推力大小的极限分析

研究目的:确定掌子面推力大小是保障周边土体稳定的重要前提,在下穿既有隧道工程中更为关键。基于极限平衡法和筒仓理论,考虑既有隧道的荷载作用,推导砂土地层中下穿既有隧道工况下掌子面盾构推力计算公式,通过数值模拟和实际工程验证公式的正确性。在此基础上讨论考虑既有线和不考虑既有线两种计算方式的适用性,最后分析土体内摩擦角、两线距离及覆土厚度等参数对掌子面极限推力的影响。研究结论:(1)筒仓理论适用于下穿既有线工程掌子面极限推力计算,推导所得公式计算结果更精确;(2)砂土地层中盾构下穿既有隧道时,掌子面盾构极限推力随着与既有隧道间距、覆土厚度增加而增大,随着土体内摩擦角增大而减小;(3)本研究成果为新建隧道盾构安全下穿既有隧道工程提供理论参考。     

南京富水松软地层新建盾构隧道穿越引起的既有隧道工程安全等级划分

为定量评估既有地铁盾构隧道受穿越施工扰动后的结构安全状态与服役性能，采用MIDAS软件建立了新建盾构隧道穿越既有盾构隧道的三维数值模型。通过调整隧道间的竖向净距，对南京地区以富水砂层、软土层为主的松软地层条件下的盾构隧道穿越施工引起的既有隧道的竖向位移响应进行了定量研究，并根据隧道的力学衰减特性分析了既有隧道的安全等级。结果表明：盾构隧道下穿、上跨施工引起沿既有隧道纵向土体的沉降曲线分别呈“W”型、“M”型，相同地层条件下上跨施工引起的既有隧道变形的绝对值比下穿施工小；南京富水砂层、软土层新建隧道穿越引起既有隧道沉降半槽范围分别约为3.5倍与5.0倍隧道外径；结合既有隧道力学性能衰退特征，以隧道纵向差异变形量作为指标将盾构隧道穿越工程划分为微弱影响、一般影响、显著影响、强烈影响等四类；根据数值模拟和历史变形数据，预测了南京地区3个典型的盾构隧道穿越工程施工完成后既有盾构隧道的竖向差异变形量，据此计算了相应的影响等级及其同等级下的竖向变形余量。     

盾构隧道穿越富水砂层开挖面稳定性分析

基于数值仿真方法,得到盾构在砂土地层中掘进时地下水稳态渗流条件下孔隙水压力的分布特征,对计算结果进行拟合可得隧道覆土层中竖向孔隙水压力及穿越层中水平水头分布的函数表达式。将此竖向孔隙水压力叠加到太沙基松动土压力计算模型,进而求解隧道拱顶处竖向有效松动压力,同时将该有效松动压力与水平水头分布函数引入到经典楔形体模型中,得到维持隧道开挖面稳定的主动极限支护压力。计算结果与离心试验结果的吻合度较高,可对盾构隧道在渗透性砂土地层中施工时开挖面的稳定性进行可靠评价。     

考虑土体剪切与接头剪切效应的盾构隧道纵向变形计算模型

针对紧接盾构隧道或盾构穿切桩基工程中附加外力作用下的盾构隧道纵向非均匀变形和受力问题,利用计算解析方法,将盾构隧道视为置于Pasternak双参数地基上的铁摩辛柯梁,同时引入修正等效连续化模型和传递矩阵法,提出一种新的盾构隧道纵向变形计算模型,并采用室内模型试验的方法进行验证。结果表明：模型试验中,在集中荷载与围压共同作用下,整个隧道处于弹性变形阶段,各环管片收敛变形、拱顶和拱底竖向位移、环缝错台量均随集中荷载的增加而近似线性增大,并以集中荷载为中心沿纵向呈对称分布,变形趋势与计算结果相同,且2种方法下环缝错台量最大相对误差仅为8.75%;2种方法得到的结果在分布特征和量值上基本一致,验证了计算模型的可行性。该计算模型能够反映土弹簧间的剪切作用、收敛变形对隧道纵向变形刚度的影响及接头的非连续性,可对盾构隧道纵向变形和内力进行预测分析,并为紧接盾构隧道工程中既有盾构隧道的安全评估提供理论指导。     

考虑注浆压力的粉质黏土地层盾构管片上浮规律及临界覆土厚度研究

文章在基于土体损失、浆液浮力和卸载回弹力引起的管片上浮理论解析解的基础上,进一步建立考虑注浆压力作用下管片上浮量的解析解,并通过工程实测数据验证修正后解析解的准确性。以苏州地铁6号苏站东路站—拙政园站下穿外城河为背景,运用Midas GT NX有限元分析软件,研究不同覆土厚度下盾构管片上浮及土层变形特性。结果表明:覆土厚度对于管片上浮有明显的抗浮作用;随覆土厚度增加,管片上浮量降低,土层的隆起降低,土层最大水平位移逐渐减少,且逐渐向远离两隧道中心点方向移动;覆土厚度与土体中最大主应力具有负相关关系,临界覆土厚度约为0.6 D～1.0 D范围内,其与理论结果较为吻合,且工程现场施工也证实其可靠性。     

考虑松动区高度影响的城市深埋隧道松动土压力研究

传统的太沙基松动土压力理论是基于浅埋地层这一基本假定建立的，其对于城市深埋地层不具备适用性。在深埋土质隧道土拱效应完全发挥情况下，考虑主应力轴旋转修正无黏性土侧压力系数计算方法；基于有限差分数值平台开展不同埋深、不同内摩擦角下的有限元模拟确定深埋黏性土层的破坏模式。给出考虑主应力轴旋转和内摩擦角对松动区高度影响的深埋无黏性土、黏性土地层的松动土压力计算公式，以实现对城市深埋土质隧道上覆土压力的准确计算。修正公式计算结果与文献、数值模拟结果对比分析结果表明：在深埋情况下，无黏性土层松动土压力修正公式计算结果与文献结果吻合良好；土体强度参数会对黏性土松动区高度造成影响，即随着内摩擦角的增大，松动区高度不断减小；黏性土层松动土压力修正公式计算结果与数值模拟结果吻合良好。     

非连续模型下桩基对既有盾构隧道变形的影响

基于非线性接触理论,在管片间简化设置挤压与摩擦关系模拟管片接头结构,以贵州省某市实际工程为背景,建立非连续接触盾构隧道模型,分析桩基施工与承载阶段对既有盾构隧道变形的影响。研究结果表明：本工程中,桩基承载阶段对土体竖向的主要影响范围约为桩径的15倍、桩长的1.7倍,对土体侧向的主要影响范围约为桩径的5.5倍、桩长的0.6倍。综合变形较大值主要集中在拱顶、拱腰以及拱底处,盾构隧道在非连续模型下受力变形时,管片间出现明显错台,这表明本模型能较好地模拟出既有盾构隧道在桩基施工承载时的受力变形。桩基施工阶段,竖向变形最大值出现在拱顶部位,约为0.21mm。桩基承载阶段,竖向变形最大值仍出现在拱顶部位,约为0.73mm,盾构隧道在竖向变形上主要受桩基承载阶段影响。桩基施工与承载阶段,横向变形最大值均出现在线内拱腰处,分别约为0.21mm与0.23mm,横向变形值增量不大,盾构隧道在横向变形上主要受桩基施工阶段影响。     

地铁盾构双隧道施工诱发的地层变形规律分析

以大连地铁202标段双隧道盾构施工工程为背景,考虑土体的分层以及隧道施工过程中盾构推进、注浆和衬砌拼装等工序,运用FLAC3D软件对盾构双隧道同向先后施工过程进行三维精细数值模拟,并与现场测量数据进行对比分析.结果表明:先施工的右线隧道掘进完成后,隧道上方各层土体越靠近地表,盾构施工引起的地层竖向变形越小,而地层的沉降槽宽度越大,地表沉降槽宽度系数为0.56;近距离双隧道同向先后开挖时,土体相互扰动,地层距离隧道轴线的高度越小,地层竖向变形非对称“双峰”特征越明显,岩层的成层性使得双峰特征消失时岩层距离隧道轴线的高度有差别;两隧道中心线和轴线附近地表有不同方向水平变形,此区域的桩基、剪力墙在隧道掘进时将受到附加剪切作用,易出现裂缝,故在施工中应做好切实的防护措施;监测结果验证了数值模拟方法的正确性,在盾构掌子面距离监测点12 m范围内,地表沉降发展得较快.     

基坑分块开挖对下卧盾构隧道的变形影响分析

为研究分块开挖基坑对下卧盾构隧道保护的有效性,以深圳市双界河路段某基坑工程为例,建立三维有限元模型,对比下卧盾构隧道竖向位移计算值与实测数据,在此基础上分析不同分块开挖方式对下卧隧道附加弯矩、内径变形的影响,并进一步研究分块开挖与坑底土体加固共同作用下隧道的变形规律。结果表明:在分块数量相同的情况下,横向分块的开挖效果要好于纵向分块开挖,且横向分块数量越多,对隧道竖向位移控制效果越好;隧道最大附加弯矩在拱顶处,隧道整体呈拱顶、拱底处伸长,拱腰处压缩的变形趋势;坑底加固土体可有效控制隧道竖向位移,在隧道变形控制较为严格的工程中,建议在开挖前对坑底土体进行加固。     

盾构掘进对U形槽和桥梁桩基的影响分析

为研究双线隧道盾构掘进诱发地面U形槽和邻近桥梁桩基沉降的影响及控制措施,结合成都地铁4号线下穿复杂建筑群,对盾构掘进引起土体竖向变形的公式进行推导,采用Mohr-Coulomb建立隧道-地层-桥墩基础三维实体模型,模拟开挖过程中不同工况对地表U形槽沉降及邻近桩基水平位移和竖向位移的影响,并与理论公式推导结果进行对比。研究结果表明:盾构开挖引起的沉降主要由盾构正面推力、盾构机与周围土体之间摩擦力导致的土体竖向变形等构成,模拟计算得到的U形槽最大竖向位移为14 mm,公式计算得到的最大沉降为25 mm。桥桩基模拟计算和公式计算得到的最大沉降值分别为13 mm和21 mm。公式计算考虑的因素较模拟计算多,沉降值较模拟计算大,但趋势较为接近。     

黄土地层地铁盾构施工地表变形规律预测研究

研究目的:西安地铁是我国首次在黄土地层修建地铁,黄土地层具有湿陷性等特殊的物理力学特性,盾构是西安地铁隧道的主要施工方法之一,但有关西安地铁盾构施工诱发的地表沉降特性预测的研究成果目前还很少,急需开展黄土地层地铁盾构施工诱发的地表变形规律预测方法研究,目的是为盾构施工地表沉陷监测方案的制定和盾构施工参数的确定提供理论依据,以保证隧道盾构安全施工。研究结论:通过理论预测计算得到的沉降值与西安地铁某区间隧道的地表沉降实测数据进行了对比分析,研究结果表明:(1)给出的地表沉降预测公式预计的地表沉降趋势和数据与实测值基本一致;(2)盾构施工时,正面附加推力可以维持开挖面前方土体的稳定,但正面附加推力的大小对地表竖向位移量的大小会产生影响;(3)盾构施工时,影响地表竖向位移因素很多,而盾尾间隙的大小对地表竖向位移影响最大;(4)盾构施工时,地表沉降量随着距隧道轴线距离的增加变形量逐渐减小,在隧道轴线上方变形最大。     

新建隧道盾构下穿施工对既有隧道影响的三维数值模拟

采用三维有限元方法对新建隧道盾构下穿施工过程进行了动态模拟,分析了新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道位移、应力的影响;进而探讨了不同的隧道覆土厚度、隧道间相对距离及土体强度下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道位移的影响.结果表明:新建隧道盾构正交下穿施工引起既有隧道位移方向朝向新建隧道方向发展,既有隧道位移以纵向沉降...     

土质地层中盾构隧道垂直荷载计算方法探讨

研究目的:目前盾构隧道计算中常用的荷载计算方法和现行隧道设计规范中采用的荷载计算方法有所区别.本文对土质地层中盾构法隧道结构设计时采用的垂直荷载计算方法进行了探讨,通过对不同荷载计算方法进行定量和定性的对比分析,并分析了不同方法计算结果与实测数据的吻合程度,提出了较为实用的垂直荷载的计算方法,可作为对现行规范中隧道荷载计算方法的补充.研究结论:铁路及公路隧道规范中推荐的垂直荷载计算方法对土质地层中盾构隧道不太适用;对于软粘土地层,可采用全土柱荷载模型计算垂直土压力,对于其它土层,不论覆土厚度大小,均可按泰沙基坍落拱理论计算垂直土压力,但在砂性土地层需水土分算.