穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

基于流-固耦合的盾构隧道开挖面稳定性研究

利用FLAC3D建立三维数值模型,对考虑完全流-固耦合效应的盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟和验证,并进一步分析水位高度、渗流时间对开挖面变形、地表沉降和孔隙水压力的影响。研究表明:开挖面变形随支护压力比的减小经历3个阶段的变化,且与土体塑性区的发展密切相关;相比于无水状态,考虑流-固耦合效应的开挖面稳定性显著降低,随水位的升高、渗流时间的增大,开挖面发生失稳破坏的支护压力比明显增大;支护压力比(表征支护压力)的减小将导致开挖面前方一定范围的孔隙水压力减小,靠近开挖面的孔隙水压力受扰动程度加剧,形成"漏斗状"的影响区;开挖面失稳导致土体位移场延伸至地表,引起地表产生明显的沉降变形,在不同的变形阶段开挖面中心点位移与最大地表沉降分别呈抛物线相关和线性相关。     

软土深部盾构开挖地层损失率对软土土拱效应的影响分析

盾构在软土深部地层进行主动开挖时,开挖所采取的地层损失率差异,会使得深部地层土体产生不同的位移以及应力变化,从而对软土深部地层的主动土拱效应产生差异影响。通过调整计算模型中的主动开挖土体范围,设定7种不同的地层损失率,建立地层损失与软土主动土拱效应比例之间的对应关系。通过分析可得： 1）盾构在4倍直径埋深条件下进行主动开挖时,在隧道上方1~2倍直径范围内形成主动土拱作用区域; 2）主动开挖所采取的地层损失率越大,开挖后拱顶处所受到的主动土压力荷载越小,土拱效应发挥越充分,且当地层损失率到达一定值时,盾构开挖所产生的主动土拱效应比例逐渐趋近于稳定临界值。     

砂土层中盾构隧道竖向土压力的转移机理及其计算

开展了Trapdoor试验来模拟砂土层中盾构隧道的开挖,研究了Trapdoor上部竖向土压力的转移机理,总结了国内外土拱区侧压力系数K的取值,与试验结果进行了对比并给出其建议值。分析结果表明,隧道上覆土体通过拱效应把作用在衬砌管片上的部分竖向土压力传递到两边不动土体,从而导致竖向土压力明显减小,而水平向土压力有所增加;当土拱效应充分发挥时,按侧压力系数K=1计算得到的Trapdoor上部竖向土压力与试验结果比较接近。     

砂层盾构隧道端部土体滑移破坏模式分析

为了分析盾构进出洞时隧道端部土体的失稳破坏模式,为端部土体合理加固范围的确定提供理论依据,基于颗粒流分析程序(PFC),对砂层盾构隧道端部土体的失稳破坏过程和机理进行了数值分析,并采用FLAC3D程序进行对比验证。根据土体滑动规律,给出一种对数螺旋线与直线组合的滑动破坏模式,运用颗粒流计算数据对滑动面进行曲线拟合,并进行相关性分析和显著性检验,得到颗粒摩擦因数取不同数值时的土体滑移面曲线方程。研究结果表明:隧道端部连续墙破除后,土体先在洞门附近发生局部破坏,随后土体颗粒松动破坏向内部发展,颗粒逐步发生位移重定向,最终在土体内部形成了一条显著的滑动破坏面,若隧道埋深较浅,滑动面将延伸贯通至地表;随着土体强度的增高,土体滑移直线倾角变大,对数螺旋线初始半径变小,土体破坏范围相应变小,端部土体越稳定,反之,端部土体滑移范围就会变大,稳定性变差;端部土体经过局部加固后,土体变形较小,内部不能形成滑动面,端部土体稳定性得以提高。     

基于统一解的盾构隧道施工引起地下管线竖向位移计算

盾构隧道施工会对周围土体产生扰动,当土体沉降和变形过大时,会对邻近地下管线产生危害。采用统一土体移动模型解计算盾构隧道施工引起的土体自由位移场,通过能量方法建立变分控制方程,得到盾构隧道施工引起地下管线竖向位移的计算方法,将计算结果与刘晓强方法计算结果及实测数据进行对比,并分析土质条件、管线轴线埋深、管线材质等因素对管线竖向位移的影响。结果表明:与刘晓强方法相比,基于统一解的能量变分法计算结果与实测值更加吻合;双线盾构隧道施工引起的管线竖向位移在两隧道中轴线两侧呈不对称分布;不同土质条件对管线的竖向位移和沉降槽宽度有较大影响,而不同管线埋深、材质的影响较小。     

基于修正剑桥本构模型的盾构隧道开挖对邻近桩基影响分析

为了保证在我国黄土地区城市地铁盾构开挖在靠近桩基础时的安全性,降低盾构开挖对桩基础的扰动影响,基于ABAQUS数值模拟有限元分析软件,采用土体的修正剑桥本构关系,建立地铁盾构法开挖施工的三维有限元分析模型。对隧道盾构开挖过程中邻近桩基础的变形和地表沉降规律进行了计算分析。研究结果表明:隧道盾构对邻近桩基础的影响主要表现在桩基础的隧道埋深位置处,垂直隧道纵轴的水平方向(X方向)位移量上;在盾构开挖过程中,随着开挖面与桩之间距离d缩小,桩的水平方向位移逐渐增大;在d大致为[-0.5D,+0.5D]范围内时,变形最大;当d继续增大时,水平方向位移也继续增大,最终趋于稳定值。通过综合分析数值模拟计算和施工现场监测得到的地表位移变形曲线,可以发现在隧道轴线正上方位置地面的沉降最大,向隧道轴线两侧沉降逐渐减小,但在桩基附近的地表沉降相对较小,而桩顶承台也受到不均与沉降的影响产生偏移。在该隧道工程实际开挖中,需要加强承台不均匀沉降监测,以便及时采取控制措施。     

高水位条件下盾构隧道开挖面稳定性数值模拟

通过考虑渗流影响的三维有限元数值模拟,对高水压条件下盾构隧道开挖面稳定性进行研究,获得开挖面破坏模式和极限支护压力。研究结果表明：开挖面前方土体破坏面倾角随水位增高而逐趋平缓,总极限支护压力与水位高度呈非线性关系,且其斜率随水位增高而增大;在水位高度一定时,隧道埋深越小,渗流力对开挖面破坏模式和极限支护压力的影响越大。     

盾构隧道埋深对临近铁路桥梁的影响分析

为研究盾构隧道下穿临近铁路桥梁过程中隧道埋深对既有桥梁沉降变形及水平位移变化的影响,以武汉地铁3号线区间盾构穿越铁路桥梁工程为依托,利用有限元软件ANSYS对不同隧道埋深（2D、2.5D、3D（D为隧道直径））下桥梁的梁体结构、轨道线路及桩基位移等进行对比分析,并结合现场数据进行验证。研究结果表明： 1）随着隧道埋深的增大会引起桩基、梁体及钢轨等结构竖向位移的增大,当隧道埋深为18 m时,墩台最大沉降超过了限制值; 2）隧道埋深分别为12、15、18 m时,桥梁墩台及梁体结构均表现出以沉降为主的变形,而水平位移变化幅度较小; 3）在满足地表沉降限值的条件下可适当减少隧道埋深,以控制隧道开挖引起的上部桥梁、钢轨等结构物变形。     

水利工程中双排钢板桩支护结构性状研究

某水闸基坑工程中采用带拉杆的双排钢板桩结构解决单排钢板桩支护位移过大问题。运用有限元软件模拟排间距及被动区土体加固长度对支护结构及周边管道位移的影响,结果表明,双排钢板桩支护结构前、后排桩及桩间管道水平位移均随排间距的增大而减小,桩间管道竖向位移随排间距的增大先增大、后减小,竖向位移最大时对应的排间距与桩间土体破坏面宽度有关。支护结构及管道位移均随土体加固长度的增大而减小。通过设置合适的排间距及土体加固长度,基坑开挖变形满足规范要求并可限制桩间管道位移,供类似工程设计参考。     

双线暗挖隧道下穿既有城市主干道施工方法比选

以某双线暗挖隧道下穿既有城市主干道为工程背景,利用FLAC-3D有限差分软件对WSS加固条件下上下台阶法、上下台阶增设临时仰拱法和上半断面预留核心土法进行对比分析,着重研究了既有主干道沉降,在建暗挖隧道受力、收敛、掌子面挤出位移以及塑性区开展深度进行分析.分析表明,上下台阶增设临时仰拱法达到了经济与安全的平衡,是较为合适的穿越方法.     

土岩交错地层隧道爆破施工的振动响应及空洞效应分析

以汕湛高速揭博段水墩隧道为工程背景,运用数值模拟计算的方法,建立上软下硬地层下爆破振动的有限元计算模型,对爆破荷载作用下上部初期支护和围岩的振动响应及空洞效应进行研究。结果表明： 1）掌子面下部基岩爆破施工的振动荷载主要通过支护结构传递给拱顶围岩,而掌子面上部前方围岩（未成洞区）和后方围岩（成洞区）振动分布并不对称,其中成洞区围岩的振动速度和振动范围远大于未成洞区,说明上软下硬地层隧道爆破振动存在空洞效应; 2）成洞区单向约束是造成振动加剧的根本原因,围岩振动的纵向最不利位置为掌子面后方约2 m处,径向为软硬交界结构面与隧道外轮廓的切点处; 3）振动方向以径向为主,即拱顶围岩振动以竖向振动为主,初期支护拱脚以水平振动为主; 4）距离掌子面1倍(洞径)范围的拱顶围岩及初期支护拱脚是控制爆破振动的关键部位。     

山岭隧道断层破碎带富水段开挖方法的对比分析

以小北山1号隧道为研究对象,采用FLAC3D有限元模拟分部开挖的几种工法,对隧道穿越F3断层破碎带处的开挖过程进行了模拟。针对4种不同施工工法情况下竖向位移、围岩应力以及塑性区进行了对比分析,结果表明,采用预留核心土法时得到的底部隆起、拱顶沉降量和拱脚最大主应力是四种工法中最小的;尽量减小对围岩体的扰动可以对隧道顶部的沉降控制起到一定的作用;拱肩处出现的受拉塑性区在施工过程中容易造成洞室的整体失稳,需及时支护。     

缓倾砂岩夹泥岩隧道岩爆段初期支护变形特征及控制技术研究——以蒙华铁路段家坪隧道为例

针对蒙华铁路段家坪隧道岩爆段初期支护在较小变形下发生破坏现象，通过室内试验、超前地质预报、地应力测试等技术手段，分别揭示洞周围岩强度、掌子面前方地质情况和初始地应力状态，同时对初期支护变形破坏特征进行归纳总结并分析成因，得出： 围岩特性、地质构造特征、工法是影响初期支护变形破坏的重要因素，局部水平向高地应力是主因。采取增强支护参数、增设缓冲层、锚杆+加筋底板、加装阻尼器等技术措施控制初期支护变形破坏。研究结果表明： 1）以水平构造应力为主的高初始地应力条件下，若隧道洞身围岩竖向节理发育，开挖宜首选二台阶法。2）拱部及仰拱初期支护混凝土破坏类型为剪压破坏,格栅钢架主筋破坏类型为偏心受压屈曲。3）以水平构造应力为主的高初始地应力状态下，宜根据围岩特性、支护原理及现场实际选择相应的技术措施。     

基于三维有限元分析的隧道开挖效应研究

隧道的开挖引起围岩应力状态的变化,改变了隧道围岩的力学性能。在三维非线性有限元计算的基础上,研究分析了隧道开挖全过程中隧道围岩应力、位移变化规律以及开挖结束后隧道周边的应力、位移状态。研究结果表明:隧道的开挖是一个先加载后卸载的过程,隧道开挖卸荷效应在隧道拱底表现最为明显,拱顶次之;在隧道轴线方向上开挖对周边围岩的影响范围约为掌子面前后各1倍的隧道跨度,在隧道横断面方向上约为2倍的隧道跨度,对隧道截面中心岩体的影响范围在隧道轴线方向上约为掌子面到达该断面前1倍的隧道跨度。此外,文中还将计算结果与工程实际进行了定性的比较和分析。     

公路隧道穿越风化凹槽段施工分析

以潮汕环线高速公路西环山一号隧道右线风化凹槽段工程为依托,基于有限差分数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,对比分析了风化凹槽段进行掌子面开挖时,均质围岩及夹风化残积层岩状下围岩变形特征和应力变化规律.结果表明:两种岩状下,地表竖向位移最大值均发生在隧道中线上部,但中线两侧位移变化规律出现反差,水平位移最大值发生在中...     

桥梁桩基础施工对既有明挖隧道变形影响研究

以某桥梁跨越隧道工程为研究背景,运用有限元软件模拟桥桩基础施工过程,并针对桩基础不同开挖深度对地铁隧道的影响展开对比分析,研究表明:在桥梁桩基础施工过程中,东西双向隧道拱底、隧道左、右拱腰以及桩基础周边土体变形规律均呈对称分布;靠近隧道附近施工对隧道拱底和拱腰的变形影响最大;桩基础开挖深度未超过隧道时,地表沉降与桩周土体水平位移均随着开挖深度的增大而变大,当开挖深度超过隧道位置后,地表沉降与桩周土体位移将不再受开挖深度的影响,其结论可为类似桥梁跨越隧道工程研究提供参考与借鉴。     

超浅埋大跨双连拱隧道三导洞+洞盖法施工变形特性分析

以厦门第二西通道(海沧隧道)超浅埋下穿兴湖路段双连拱隧道为依托,提出三导洞十洞盖法施工工法;采用数值模拟,研究施工工序对双连拱隧道中隔墙、边墙、初支及衬砌的变形影响规律.结果 表明:中隔墙及侧墙竖向位移在左右洞上台阶贯通后达最大值,当开挖预留核心土及中、下台阶时,中隔墙及侧墙均产生向上的隆起;开挖对中隔墙水平位移影响较...     

软土地区盾构施工对既有单桩工作性状的影响分区研究

为研究既有桩基位于拟建隧道周围不同位置时，隧道开挖对桩基产生的受力与变形规律，依托天津地铁3号线北站至铁东路站左线盾构区间项目，利用ABAQUS软件将隧道周围软土按照桩端径向、切向位置的不同划分为8个区，建立考虑软土修正剑桥本构关系的二维有限元模型，探讨隧道开挖后桩基分别处于设计荷载和极限荷载下的桩侧摩阻力和桩身位移变化规律，并建立隧道开挖对邻近单桩工作性状的影响分区。计算结果表明： 1）隧道开挖会使桩基近隧道侧产生负摩阻力，负摩阻力最大值随桩到隧道径向距离的减小而逐渐增大，随桩长的增大而逐渐增大； 2）隧道开挖会导致桩身极限侧摩阻力降低，当桩端位于隧道两侧分区时降幅较大，在10%~15%； 3）桩端分别位于隧道两侧、底部、顶部分区时，依次对桩身倾斜率、桩身挠曲变形和桩顶沉降的影响最显著； 4）提出能够对隧道开挖后既有单桩工作性状分区进行评价的指标，当桩端位于3区时，盾构隧道开挖造成单桩的综合影响程度最大，应加强施工监控措施。