砂卵石强透水地层泥水平衡盾构隧道开挖面极限支护压力研究

以兰州市轨道交通1号线穿河段泥水平衡盾构隧道为工程背景,针对砂卵石强透水地层盾构隧道开挖面稳定性问题,应用FLAC 3D建模分析渗流作用下隧道开挖面的极限支护压力。结果表明:隧道开挖后围岩渗流场发生改变,产生水压力差,造成地下水沿洞周渗出,孔隙水压力等值线呈漏斗状分布;渗流作用下开挖面极限支护压力为107 k Pa,岸堤经泥水盾构下穿后沉降量较小。最大沉降现场监测值与数值计算值误差为11.1%,表明计算模型合理,计算结果可靠。     

土压平衡盾构土仓压力的计算方法研究

在土压平衡盾构施工时,如何确定土仓压力的合理保持范围是减小地层扰动的关键。使用太沙基理论计算土仓压力时,存在深浅埋界限不明确、透水地层与不透水地层界限模糊等问题。根据成都地铁18号线所处地层、隧道尺寸以及埋深情况,基于土力学理论和DIN模型,提出适用于盾构隧道穿越弱透水地层的土仓压力计算模型,分析水压力在弱透水层中对土体有效应力的影响,得出弱透水层中横向土压力的表达式,并针对成都地区砂卵石+下伏泥岩的地层状况,通过数据统计拟合给出水头折减系数推荐取值。     

盾构施工扰动引起隧道固结沉降的估算方法

以上海地铁为背景,探讨施工扰动造成隧道固结沉降的估算方法.将问题简化为平面应变问题;采用无量纲参数η和D反映盾构施工的松动效应与挤压效应,认为隧道沉降是松动效应与挤压效应共同作用的结果.采用镜像法对地层损失(松动效应)造成的隧道上浮量进行研究;采用柱孔扩张理论对挤压效应造成隧道固结沉降量进行研究,通过计算土体中各点应力增量得到各点的超孔隙水压力,进而得到挤压效应造成的扰动范围H;通过分层总和法计算挤压效应造成的隧道最终固结沉降量;利用平均固结度得到t时刻固结沉降量;将松动效应与挤压效应造成隧道竖向位移相加,得到施工扰动造成隧道固结沉降量.结果表明:地层损失造成的隧道上浮量与参数η成正比;挤压效应造成的隧道固结沉降量与参数D成指数关系;当D＜0.3ln(1.34η+ 1.31)时,隧道表现为上浮;当D＞0.3ln(1.3 4η+1.31)时,隧道表现为下沉.     

水下砂卵石地层盾构隧道越江段注浆压力研究

近年来,江(海)底盾构隧道建设日益增多,对于水下段而言,由于地层渗透性强、埋深浅等因素影响,盾尾同步注浆压力的合理控制显得尤其重要,而探明盾构隧道在施工过程中孔隙水压力的分布对工程实践意义重大。本文依托常德沅江过江隧道工程,结合工程现场地形、地质、气候以及水文条件,采用FLAC^3D有限元分析软件对盾构施工扰动下的地层孔隙水压力分布进行系统分析。研究结果表明:(1)综合考虑各种因素确定渗流场中削减边界为20 m,即模型构建时沿开挖方向前后多取20 m长度,可使模拟结果更能真实反映越江隧道围岩各处孔隙水压力的变化规律;(2)盾构隧道掘进过程中,拱顶、拱底和左右拱腰处的动水压随掘进距离的变化趋势大致相同,拱底动水压量值最大,左右拱腰次之,拱顶最小,并根据区间动水压力变化规律给出满足岸边段和水下段要求的注浆压力。     

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。     

泥水平衡盾构开挖面失稳特征模拟试验研究

为研究泥水平衡盾构施工过程中开挖面的失稳过程与特征,使用泥水盾构模型装置,通过室内试验模拟泥水盾构开挖面的掘进失稳过程,分析地层水土应力变化规律,总结了不同水位下泥水盾构在砂土地层中开挖面主动失稳的破坏形式.研究结果表明:盾构刀盘前方土压力、超孔隙水压随着支护力减小先缓慢下降后加速下降并保持稳定,此时开挖面失稳破坏;在...     

穿越分层地层的盾构隧道开挖面稳定机理研究

基于塑性力学极限分析上限法,通过空间离散技术,建立圆形盾构隧道穿越分层地层时开挖面失稳的三维破坏机构,推导盾构开挖面极限支护压力的计算方法,获得最优上限解。针对单一地层,将极限支护压力计算方法与前人提出的3种多块体模型计算方法进行对比,分析黏聚力、内摩擦角等强度参数差异对极限支护压力的影响,同时验证本文方法的准确性。针对2种地质强度差异较大地层,将此方法和数值模拟计算的极限支护压力进行对比,研究地层差异性对极限支护压力的影响,发现2种方法计算结果吻合度较高。研究表明:极限支护压力随上部软弱地层在开挖断面竖直方向上的厚度占开挖断面总高度的比例增大而增大,并随地层内摩擦角、黏聚力差异的增大而增大。     

砂土液化地层盾构隧道加固设计研究

砂土液化地区盾构隧道后期运营沉降量大、管片病害多、维修难度高,采用有效的地面加固形式有利于减少盾构掘进期间地层损失、土体固结造成的地面沉降及盾构隧道运营期间的病害。以佛山地铁2号线工程为实例,基于连续介质模型的基本原理,简化建立地层-结构空间计算模型,计算分析盾构掘进时不同洞内加固及地面加固形式对地面沉降的影响规律,并通过现场监测数据进行验证。结果表明,当采用洞内加固及地面加固方案1时,能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达60%及83%;在砂土液化地层洞内注浆时,注浆压力需控制在0.3～0.5MPa,注浆流量控制在10～15L/min。     

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。     

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。     

三维离散机构在盾构隧道渗流稳定分析中的应用研究

基于极限分析上限定理,利用三维离散破坏机构对渗流作用下盾构隧道开挖面稳定性进行研究。通过将渗流效应等效为孔隙压力做功,提出三维离散破坏机构下的渗流稳定性分析方法,推导相应的孔隙压力功率公式。结合开挖面附近的孔隙压力分布方程,计算三维离散破坏机构中总孔隙压力功率,根据内外功率互等原理进一步推导渗流条件下开挖面临界支护力的表达式,通过优化计算得到临界支护力的最优上限解。利用数值模拟及已有算例对得到的临界支护力结果进行验证,证明了本文方法的有效性。利用该方法研究水位高度、开挖面透水性等因素对临界支护力的影响,并初步分析隧道破坏范围的变化情况。本文还提供了计算图表,便于工程上快速计算及分析。     

可液化地层叠落盾构隧道抗震分析及对策

饱和砂土地层的盾构隧道可能因液化影响产生变形及内力变化引起隧道破坏,地层液化对叠落隧道的影响可能因结构间的相互影响而加剧.基于工程实例,采用有限元分析软件Midas GTS建立三维模型,对可液化地层叠落隧道进行水平和竖向抗震动力时程分析,分析了液化地层在隧道不同位置以及不均匀分布情况对隧道的不同影响,对液化与非液化情况的隧道结构内力及变形进行对比,研究了地层加固对液化地层的处理效果.液化情况下隧道内力及变形均有一定程度的增加,其中液化地层处于隧道底部、液化地层分布不均匀对隧道影响程度较大,竖向地震作用主要影响隧道的竖向变形.综合考虑多种加固方案,中等液化程度时盾构隧道采用径向注浆加固地层有较好的效果.     

砂卵石地层盾构微扰动施工及掘进控制研究

研究目的:针对北京地铁8号线天桥～永定门外区间右线隧道试验段1～160环掘进施工,结合地层条件分析掘进参数和地表变形间的关系,并对土压平衡盾构微扰动施工控制进行初步探索,以期为砂卵石地层盾构隧道的设计与施工提供借鉴和参考。研究结论:(1)相对于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层,盾构施工在砂卵石地层引起的沉降更大,对地层的扰动也更大;(2)盾构在砂卵石地层中掘进时,按照太沙基松动土压力理论计算得到的开挖面支护压力更加贴合现场实际情况;(3)千斤顶推进速度与螺旋机转速对于调节开挖面支护压力至关重要;(4)盾构在砂卵石地层中掘进所需的推力和扭矩要高于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层中的相应值;(5)由于砂卵石土孔隙率较大,故需要及时调整注浆压力以保证注浆量,从而控制地表沉降;(6)对于砂卵石地层中的盾构施工,通过合理控制盾构掘进参数,可以较好地减小地表沉降和地层损失。     

地表均布超载作用下软土地区既有盾构隧道周围附加土压力与变形计算方法

在地表均布超载导致既有盾构隧道对周围土体的相对挤压量计算方法的基础上,根据隧道变形与其周围土压力、土体压缩变形的关系,提出既有盾构隧道附加土压力与隧道变形的解析计算方法。该计算方法不仅考虑隧道穿越土层、上覆土层、下卧土层的物理力学性能,而且考虑盾构隧道的横断面变形刚度。通过工程案例对提出的计算方法进行验证性分析。结果表明:从隧道椭圆度来看,解析计算结果与现场实测结果吻合较好;从隧道周围附加土压力以及隧道上覆土层中的附加竖向土压力来看,提出的附加土压力与隧道变形的解析计算方法可行,计算过程简化合理。对比分析是否考虑竖向相对挤压对应的2种隧道周围附加土压力模式表明,考虑竖向相对挤压附加土压力模式时的隧道变形更大。     

隧道盾构施工对邻近管线群位移影响的模型试验研究

隧道盾构施工会对邻近管线造成不利影响,但目前对管线位移的研究多集中在单一管线方面,考虑管线之间影响的研究较少。针对这一问题,开展砂土地层盾构施工对邻近管线群影响的室内模型试验,研究隧道盾构垂直下穿多条既有管线时对管线竖向沉降的影响。研究结果表明:当单一管线垂直于隧道开挖方向时,管线最大沉降发生在隧道正上方位置,沉降曲线形态关于隧道轴线呈对称分布,且符合Gauss曲线特征;当隧道垂直下穿双管线时,管线产生的竖向沉降曲线形态与单一管线基本一致,但管线最大沉降值较单一管线明显减小。通过对试验结果的归一化分析,提出管线间距对最大沉降影响的计算公式。     

海域低渗透性土层盾构隧道外荷载特征

选取珠海横琴马骝洲西线隧道WK2+600断面为监测断面,对潮汐作用下盾构管片结构上的外荷载进行跟踪测试。测试结果表明:当隧道埋深大于波浪作用下超孔隙水压力的影响深度时,孔隙水压力不受波浪周期的影响,潮汐荷载通过静水压力的形式作用于衬砌结构上;隧道贯通后的水压力低于理论静水压力;对于修建在低渗透性地层中的水下隧道,若外水压力取全水头则结构设计偏向于安全。围岩压力的变化与水位的变化密切相关,并且受波浪周期的影响;隧道外荷载通过土压力波动的形式响应波浪荷载。     

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。     

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。     

黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解

基于黏性土地层条件下盾构隧道开挖面模型试验和数值模拟的失稳破坏形态,对常规楔形体模型进行修正,建立棱柱楔形体模型。通过极限平衡法得到考虑土拱效应黏性土层盾构隧道开挖面极限支护力的解析表达式。采用FLAC 3D建立数值计算模型,通过多因素敏感性分析方法,确定开挖面破坏极限状态的支护压力比。将本文解析解与数值分析解、既有理论解以及离心机试验结果进行对比,验证了本文解析解的合理性和适用性。     

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.