超大直径泥水盾构浅覆土掘进引起的土体变形特性分析

浅覆土段超大直径盾构隧道上浮的现象相当普遍,但隧道上浮导致的土体变形特性却鲜有论述。以上海市北横通道盾构隧道工程为背景,通过地表和深层土体沉降的实测数据,分析了浅覆土段超大直径泥水盾构掘进引起的土体变形特性。研究表明:管片脱出盾尾之后地表迅速隆起,在管片脱离盾尾12环时取得最大隆起量;横向3.6D监测范围内的地表均发生隆起变形,且距离隧道轴线两侧各1D范围内的地层在盾构通过后会发生较大的沉降变形;深层土体监测点的最大隆起量自下而上基本呈现递减趋势。     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

不同冻胀模式下冻结隧道施工引起的地表竖向位移时空解

为了更加科学地预测水平冻结法隧道施工引起的地表竖向位移，从冻结管周围土体与地层冻胀相互作用机理和试验现象出发，提出了冻结管周围冻结土体在地层约束作用下的2种不同冻胀模式；基于热传导理论得到了冻结锋面随时间变化的移动规律，进一步联合镜像法和叠加原理，推导了均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式下水平冻结法隧道施工时多个冻结管共同引起的地表竖向位移时空预测计算公式，并依托MATLAB软件编制了求解程序。结合工程实例，将理论解与实测数据进行了对比，此外，还针对隧道埋深、冻结壁厚度、不均匀冻胀性进行了参数影响分析。研究结果表明：不同冻胀模式计算得到的位移分布规律与实测值在整体趋势上基本相似，且实测值介于均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式所得理论值之间，证明了所提理论模型的合理性；均匀冻胀模式与非均匀冻胀模式计算得到的地表最大竖向位移均出现在隧道中心正上方地表位置处，但不同冻胀模式下的隧道中心正上方地表竖向位移峰值有明显差异；当其他参数相同时，隧道埋深越浅，地表冻胀位移分布越窄而高，土体冻胀模式对地表位移分布影响越大；冻结壁越厚，地表竖向位移越大；不均匀冻胀程度常数越大，地表竖向最大位移也越大。建议根据工程具体情况，选用所提出的不同冻胀模式来预测水平冻结隧道施工引起的地表变形，以确保工程安全稳定。     

隧道洞口段的抗震设防长度

运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,进行了隧道三维地震反应分析。在不同的围岩材料、衬砌类型情况下,分析了隧道洞口段衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩方法的减震效果。计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关,洞口段松软、破碎的围岩越长,隧道的设防长度就越长;隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大;在地震荷载作用下,洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力;可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移。     

右江南岸隧道洞口段结构抗震设防长度研究

利用大型通用ANSYS有限元软件的动力学功能,对隧道洞口段进行了地震响应分析,得到了各工况下沿隧道轴线方向衬砌边墙墙脚最大应力和位移变化曲线。通过分析,确定了各工况下洞口段隧道结构的抗震设防长度,为类似工程提供参考。     

杭州地区某盾构区间施工地表变形预测参数的分析与确定

以杭州地铁某盾构区间隧道施工为背景,分别对盾构隧道上浮和盾构隧道水平2种工况建立计算模型,并计算盾构掘进施工引起的地表沉降,在每种模拟工况计算中取不同的地层损失率对地表沉降进行计算。将不同工况、不同地层损失率的计算结果与实测数据进行对比分析,并利用Peck公式计算结果进一步确认,以确定不同工况下的地层损失率:盾构隧道上浮工况下地层损失率约为1.9%;盾构隧道水平工况下地层损失率约为1%。以期为杭州和其他地区盾构施工引起的地表沉降预测提供参考。     

基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响，基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算，并结合现场监测，提出相应的施工建议。首先，基于弹性力学的Mindlin解，综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用；基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式，建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式；其次，为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要，引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例，通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后，基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明：三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好；在盾构掘进过程中，地表沉降量逐步增大，盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制；顶推力过大容易使开挖面前方H/4～5H/4范围内地表出现局部隆起现象；刀盘转速的提高会加大地表沉降量，使沉降槽...     

基于等效梁模型的盾构隧道施工期管片上浮影响因素权重分析

为厘清盾构隧道施工期影响管片上浮各因素的权重大小,在明确管片上浮影响因素的基础上,基于盾构隧道纵向等效梁模型,以等效刚度的欧拉梁模拟盾构隧道衬砌环,以土体与浆液体等价弹簧来模拟土体与隧道之间的相互作用,编制有限元程序对模型进行求解,并以南宁某地铁盾构隧道施工期管片上浮实测数据来验证计算模型的合理性。采用敏感性分析法计算出各主要影响因素的权重排序,由大到小依次为浆液未凝固区长度、浆液压力、地层变形模量、隧道纵向刚度有效率和总推力竖向分力等,分析各因素的作用机制,并提出针对性的控制措施,以指导工程实践。     

黏性场地列车荷载影响下衬砌半渗透边界盾构隧道诱发地表固结沉降解

列车荷载作用下衬砌长期渗漏会显著影响软土盾构隧道周围土体的固结沉降，对邻近环境和地铁的安全运营造成不良影响。针对盾构隧道周围土体固结沉降的既有理论研究一般多考虑衬砌不透水条件，较少考虑衬砌渗漏水及列车荷载耦合作用对于地层固结沉降的影响。引入隧道衬砌半渗透边界和列车三角形循环时效荷载，基于Terzaghi-Rendulic固结理论，采用Boltzmann三元件模型模拟土体流变效应，推导了列车荷载作用下黏弹性地层盾构隧道渗漏水诱发的土体超孔隙水压力消散和地表固结沉降的复变函数解析表达式，并与6个工程实测数据进行对比，验证了所给出解析解的正确性与适用性。此外，通过参数分析讨论了衬砌-土体渗透比和列车荷载参数对土体固结沉降的影响。结果表明：衬砌-土体渗透比是影响盾构扰动地层固结快慢的主要影响因素，衬砌-土体渗透比越大，固结完成时间越早；列车荷载作用下，早期固结沉降速率相较于不考虑列车荷载时会有较明显的增加，但在列车荷载当量增加后，固结沉降速率的增长有所放缓，且其增量与衬砌-土体渗透比密切相关，衬砌-土体渗透比越大，沉降增加量则越大；隧道衬砌可以视为扰动地层的排水边界，其加速了土体固结沉降，而列车荷载与衬砌半渗透性耦合，进一步改变了土体固结沉降形态。     

隧道下穿松散高填土路堤的沉降规律及其影响范围研究

为解决下穿隧道施工对既有高填土路堤的影响问题，依托成贵铁路大方隧道下穿杭瑞高速工程建立三维有限元模型，研究隧道施工对上覆地层位移影响、地表纵向变形特征以及下穿施工对地表各特征位置的主要影响范围。研究结果表明： 1）隧道下穿施工造成高填土路堤层发生显著沉降变形，上覆地层向隧道正中方向产生明显横向位移； 2）大方隧道下穿施工产生的地表纵向变形可划分为微变形区（洞口浅埋沉降区）、强变形区（高填土路堤沉降区）和弱变形区（地表沉降区）3个区域； 3）大方隧道施工分别开挖至洞口、挡墙和公路路面等特征位置时的地表纵向影响范围分别为开挖前方的75、52、65 m，在此影响范围内地层位移变化强烈； 4）拱顶动态沉降曲线均呈反“S”形特征。结合现场监测数据进行对比分析，得出模拟计算值与监测值变化趋势基本吻合，并最后给出相关施工建议措施。     

基坑工程明挖对下卧软土公路隧道的影响分析

软土地区公路隧道受上方开挖卸荷作用产生受力变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。提出了基坑开挖引起下卧盾构隧道横向响应的简化计算模型,假设隧道横断面上下方土体抗力的分布形式为不相等的三角形分布,利用力法求解了隧道横断面变形与内力。通过有限元分析验证解析模型的可靠性,并分析了地基基床系数、隧道半径及隧道衬砌厚度等因素对隧道横断面响应的影响。研究表明：隧道拱顶土体基床系数变化对隧道衬砌附加内力有较大影响;隧道变形主要受衬砌厚度与隧道外径的比值影响,而衬砌附加内力则主要与隧道外径相关。     

某湿陷性黄土隧道施工过程力学特性及塌陷区施工控制

通过对某穿越湿陷性黄土地层隧道某塌方段地层-结构法和荷载-结构法的数值对比计算分析,表明虽然隧道上方塌陷后原状土体结构遭到破坏,但在围岩与衬砌支护结构变形协凋的共同作用过程中,塌陷区黄土围岩的承载潜力仍要考虑到计算中,单纯的荷载结构法计算不能充分反映衬砌支护结构受力、变形的实质,采用地层结构法计算更符合实际情况;同时,根据塌陷段地质情况,采取了地表深孔注浆加固地层的处治方案,通过现场试验分析、论证,表明该处治方案合理、有效,较好地实现了地层加固的目的.     

地铁隧道施工地表沉降槽宽度系数取值研究

Peck公式广泛用于地铁隧道施工地表沉降计算,沉降槽宽度系数(i)是该公式的主要参数之一。目前各类沉降槽宽度系数(i)计算式多为现场实测数据或室内试验数据拟合求出,不能理论地反映出沉降槽宽度系数(i)与隧道埋深、地层土的性质、隧道半径的关系。从地表沉降曲线变形规律出发,假定地层在沉降曲线拐点处稳定状态发生变化,提出土体破坏剪切面通过沉降曲线的拐点的观点,基于太沙基极限平衡原理,求出了地表沉降槽宽度系数(i)计算式。两组工程实例的实测数据与计算沉降曲线的对比表明实测数据与预测结果吻合良好,误差较小,验证了提出的沉降槽宽度系数(i)计算式的准确性和适用性。     

桩撑支护软土深基坑大变形固结有限元分析

结合广州某桩撑深基坑支护工程,运用ABAQUS有限元软件,对基坑进行考虑渗流作用的大变形固结研究,分析了基坑开挖过程中,支护桩桩身和坑后土体的水平位移、坑底隆起量、周边地表沉降量、支撑轴力及支护桩弯矩等的变化规律.结果表明:大变形固结有限元分析得到的桩身水平位移等变形值与实测结果吻合较好,由于考虑了渗流作用模拟值略大于实测值;大、小变形分析得到的支护桩桩身弯矩结果比较接近,二者相差0.1 %左右;支撑轴力的大变形模拟结果与实测结果相差不大,轴力的变化规律和开挖过程相吻合.大变形固结分析,能很好地模拟基坑开挖过程中土体和支护结构的真实性状.     

盾构隧道横向受力的通用解析计算方法研究

在盾构近接工程中，隧道周围的土体荷载可能不再是半无限土体中的规则分布。从结构力学力法基本原理出发，通过对荷载分布的离散化处理，建立了一种通用的解析计算方法，可以计算任意土体荷载分布下隧道衬砌结构的内力和变形。为方便工程应用，借助于MATLAB编程，对3种土压力分布形式下的隧道内力和变形进行了程序化计算。结果表明:当侧向土压力为均匀分布和梯形分布时，衬砌环的内力和径向收敛位移差异较小，不超过10%；当侧向土压力为二次分布时，衬砌环的弯矩和剪力有所增加，轴力有所减小，横鸭蛋弯曲变形程度增强。     

重载列车作用下隧道衬砌结构动力响应分析

以山西中南部铁路通道某既有隧道为背景，结合现场实测数据进行荷载分析，得到列车激振力函数表达式，并求得80 km/h时30 t轴重列车荷载轮轨激振力时程曲线；运用快速拉格朗日差分软件FLAC3D，建立了重载列车荷载作用下隧道三维地层-结构计算模型，得出了隧道衬砌的动力响应分布，并分析了重载列车作用下，隧道结构的薄弱部位及会车对结构产生的影响。     

基于地基回弹因素的盾构隧道管片上浮预测

针对软弱地层盾构隧道管片脱出盾尾后出现的上浮问题,分析盾构施工过程中管片上浮的诱因,得出软弱地层中管片的上浮主要是地层应力重分布产生的地基回弹力引起的。在此基础上建立隧道开挖动态模型,分析隧道上浮量变化规律以及地层特性对管片上浮量的影响规律,得出地层弹性模量和管片上浮量呈一定的指数关系,且弹性模量对管片上浮量的影响远大于地层黏聚力和内摩擦角。通过力平衡理论计算盾构开挖引起的地层回弹力、管片上浮量以及隧道上浮影响的地层高度范围,并通过对珠江狮子洋工程管片上浮量的计算与实测对比,证明该公式的合理性,为盾构隧道工程中考虑地基抗力引起的管片上浮量预测提供一种新的方法。     

隧道穿越活动断裂区地下结构抗震性能研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线为工程依托,运用有限元计算软件模拟有减震缝隧道衬砌与无减震缝隧道衬砌,对两种工况下衬砌沿隧道轴线方向位移、衬砌沿主震方向位移及衬砌最大剪力部位进行对比分析,研究了隧道结构环向减震缝对衬砌抗震性能影响规律,得出在活动断层区隧道设置减震缝能够有效地对隧道结构起到减震作用。     

软土地层中盾构施工引起地表沉降的数值分析

以杭州地铁1号线某区间地铁隧道开挖为例,利用三维非线性有限元软件对地铁盾构隧道施工开挖过程进行数值模拟与分析,得到开挖引起隧道周围土体移动和地表沉降曲线,分析了隧道地表沉降沿横向、纵向及不同深度处地层的分布随盾构推进的变化规律,通过预测的结果,提出了控制地层变形的措施。     

无锡软土地层盾构施工下Peck公式的修正

在地铁隧道施工过程中,引起地表沉降的因素较多,致使一些常用的地表沉降评价预计方法出现较大的偏差。为了研究由于地铁隧道施工而引起的地表沉降问题,以无锡地区地铁隧道开挖过程中大量地表沉降实测数据为基础,采用数学方法,引入两个修正系数,即地表最大沉降修正系数α和沉降槽宽度修正系数β,修正Peck公式中两个重要参数(沉降槽宽度系数K、地层土体损失率η),以适应无锡软土地区研究区段的工况。研究表明:地表最大沉降修正系数α介于0.5~0.9,沉降槽宽度修正系数β介于0.5~0.9,此时沉降槽宽度系数K介于0.40~0.70,底层土体损失率η介于0.4%~0.9%,得到修正后的Peck曲线与地表实测沉降数据更吻合。