广州南沙深厚软基段盾构隧道长期沉降计算

为解决盾构隧道沉降预测现有计算方法考虑因素单一、以短期预测为主等问题,提出在软土固结和流变共同作用下的隧道沉降简化计算方法，并通过实际工程案例进行验证。首先，利用Merchant流变模型和太沙基-伦杜立克二维固结理论构建固结-流变耦合模型,该模型将盾构隧道的长期沉降分为2部分： 超静孔隙水压力消散引起的主固结沉降和土体流变引起的次固结沉降;然后，考虑地表荷载、土层性质、结构自重以及列车荷载等因素对沉降计算的影响，求解出隧道长期沉降解析式;最后，选取新建盾构隧道3个典型断面，利用该解析方法对隧道的长期沉降进行预测，并对超静孔隙水压力消散时间、沉降速率及最终沉降量进行对比分析。结果表明： 1）运营初期，隧道周围土体超孔隙水压力的消散速度较快，尤其是在最初的2年内最为明显；随着时间的推移，各断面的消散速度逐渐趋于稳定。2）盾构隧道的长期沉降与下卧土层的性质有关;下卧土层厚度越大，性质越差，所产生的沉降量越大;断面1、2、3最终沉降预测值分别为146.8 mm、97.6 mm和46.1 mm。     

盾构隧道开挖引起地表固结沉降的数值模拟

ANSYS12.0中的Cpt215单元在Solid45单元的基础上,加入了节点水压自由度,使得土体渗透问题可以脱离传统的热量传递问题直接进行数值模拟。Biot从连续介质的基本方程出发,推导出了能准确反映孔隙水压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程。基于Biot三维固结理论,利用ANSYS12.0的CPT215单元,对盾构隧道开挖引起的超孔隙水压力的消散过程进行数值模拟,并研究由于超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降。基于上海地铁2号线的开挖,将数值模拟的结果与实际监测到的规律进行比较(包括超孔隙水压力的消散过程和地表固结沉降历程),对超孔隙水压力区域数值、消散过程、地表固结沉降历程等进行分析。     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力规律研究

本文首先对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行了分析研究，总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。其后，本文建立了能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用改模型，对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行了充分研究，其结论与现场实测规律一致，也证明了本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性；另外，也总结出了近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。通过对近间距盾构开挖问题进行模拟，揭示了后建盾构推进引起的超孔隙水压力场，以及由此产生土体固结沉降的空间不对称性。     

郑州地铁4号线商都路站1号地下通道矩形顶管施工过程数值模拟与现场监测

为研究顶管施工对既有污水管道的影响,以郑州市轨道交通4号线商都路站1号大尺寸矩形顶管工程为背景,基于剑桥模型,建立矩形顶管工程施工的有限元分析模型,研究顶管顶进过程中顶管施工影响范围内典型纵断面和横断面的地表沉降变化规律。计算结果表明:1)对于浅埋顶管,顶管施工对地表的变形影响整体表现为沉降; 2)顶管机侧摩阻力、顶推力共同作用会造成地表短时间隆起,隆起范围为开挖断面后15～30 m; 3)污水管道主要影响隧道侧边上部范围土体水平应力的分布,对隧道深度范围内侧边土体水平应力的影响可以忽略不计,但是大大减小了污水管与管节之间土体竖向应力,减小幅度达到100 k Pa。     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力变化规律研究

对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行分析研究,总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。在国内外流固耦合计算调研基础上,建立能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用该模型对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行充分研究,其结论与现场实测规律一致,也证明本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性,并总结得出近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。     

曲线顶管施工引起的地表变形预测研究

为了研究曲线顶管施工引起的地表变形,通过分析拱北隧道管幕工程曲线顶管现场实测数据,得出曲线顶管地表沉降槽的偏移曲线;在现有Peck和Loganathan地表变形计算公式的基础上,考虑曲线顶管与隧洞的相对位置对沉降槽偏移量的影响,得出经过沉降槽偏移修正的Peck和Loganathan地表变形预测公式。结果表明:1)曲线顶管施工引起的地表沉降槽曲线表现为非对称,最大沉降点可能出现在轨迹弯曲内侧,也可能偏向外侧;2)曲线顶管与隧洞相对位置引起的土体损失变化是造成沉降槽偏移的主要原因,相对位置与顶管穿越地层性质、顶进力、注浆压力和轨迹曲率半径等因素有关;3)修正的Peck公式可以较好地反映砂层和淤泥质土层中曲线顶管施工地面沉降槽偏移效应和最大沉降量。     

盾构施工穿越钱塘江大堤沉降控制分析

结合西气东输二线管道上海支干线穿越海宁段钱塘江大堤工程,实测了盾构机掘进过程中,试验段隧道轴线周边土体受到的侧压力、总压力和孔隙水压力的变化特征,施工结束后孔隙水压力的消散过程;地基土体深层水平位移沿深度方向的分布特征;以及钱塘江大堤5个横向断面的沉降分布情况。该文通过对实测数据进行归纳统计,分析该盾构施工对地基土体扰动程度、范围,以及在钱塘江北岸的软土中进行盾构掘进施工,工后沉降占总沉降量的比例。结合工程实践,提出了盾构施工穿越钱塘江大堤(嘉兴段)的沉降控制措施。     

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。     

软粘土中挤土桩桩周土重固结沉降计算分析

挤土桩在沉桩过程中,由于挤土效应将引起桩周土体产生较高的超孔隙水压力,随着桩周土体中孔隙水压力的缓慢消散,土体会出现较大的重固结沉降,对周围的建筑物产生不利影响。由于软粘土中挤土桩的重固结沉降包含有几何非线性和材料非线性又涉及三维的渗流固结问题,计算较为复杂。基于AD INA有限元程序和三维B iot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,按照圆柱形空腔体扩张理论来模拟沉桩过程,分析了打桩完成后粘性土超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况,得出了一些初步成果。并与软粘土中某挤土桩工程的地表实测沉降结果进行了比较,结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟挤土桩重固结沉降过程,为挤土桩的进一步研究奠定基础。     

软粘土中挤土桩桩周土重固结沉降计算分析

挤土桩在沉桩过程中,由于挤土效应将引起桩周土体产生较高的超孔隙水压力,随着桩周土体中孔隙水压力的缓慢消散,土体会出现较大的重固结沉降,对周围的建筑物产生不利影响。由于软粘土中挤土桩的重固结沉降包含有几何非线性和材料非线性又涉及三维的渗流固结问题,计算较为复杂。基于ADINA有限元程序和三维Biot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,按照圆柱形空腔体扩张理论来模拟沉桩过程,分析了打桩完成后粘性土超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况,得出了一些初步成果。并与软粘土中某挤土桩工程的地表实测沉降结果进行了比较,结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟挤土桩重固结沉降过程,为挤土桩的进一步研究奠定基础。     

多因素下大断面矩形顶管施工对地层竖向变形影响研究

为对大断面矩形顶管施工过程中引起的地表沉降进行准确预测和有效控制，依托苏州市城北路综合管廊矩形顶管项目，基于力学理论、实测数据与数值计算等分析方法对多因素下施工引起的地层竖向变形进行研究。基于弹性力学的 Mindlin解和随机介质理论，探究管周土体变形模式，推导顶管正面附加应力、侧面摩阻力、地层损失、注浆填充等引起的地层竖向变形计算公式，结合现场实测数据发现该计算方法基本符合地表变形规律；进一步利用Matlab数值分析各个因素对地层竖向变形的影响，探究大断面矩形顶管顶进时地层竖向变形的一般性规律。研究结果表明： 理论推导的地层竖向变形解析式基本符合现场实际规律，地层损失对地表土体沉降的影响程度最大，顶管机头与周围土体的摩阻力影响次之，注浆会对地表产生一定抬升效果。     

地铁列车振动荷载作用下隧道底部土层孔隙水压力及变形特性研究

为研究地铁列车振动荷载长期作用下隧道底部土层的孔隙水压力及变形特性,以北京地铁7号线2期（东延）工程为背景,利用ADINA有限元计算平台建立典型隧道区间断面的有效应力分析模型,进行上限速度行车荷载作用下饱和场地土层-隧道体系水土耦合动力响应分析,研究典型位置处孔隙水压力时程变化规律,并预测地铁振动荷载作用下引起的沉降量。同时,对北京地铁7号线粉细砂进行土工室内试验,进一步研究隧道底部土层在地铁行车荷载作用下的孔隙水压力及竖向变形发展规律。结果表明： 1）在长期列车振动荷载作用下,隧道底部土层孔隙水压力逐渐增大,且增大值随土层深度的增加而减小; 2）土体的累积超孔隙水压力比和累积应变量随着荷载幅值的增加而增大; 3）与非均等固结条件相比,均等固结条件下的超孔隙水压力比较大,但累计应变量小; 4）列车振动引起的超孔隙水压力和应变均较小,超孔隙水压力在列车停运期间足以消散完毕。     

基于平板载荷试验对黏性渗流固结理论的分析

针对经典的太沙基一维固结理论所采用的弹簧-水-活塞板模型中的不足,结合益阳地区土的特性,提出了修正后的弹簧-黏滞壶-水-活塞板模型。该模型利用土体单元在单位时间内的压缩量与土中孔隙体积的变化量相等的等量关系,推导出新的渗流固结方程。结合边界条件,利用修正后的渗流固结方程,求得计算土层内任一点的超孔隙水压力,从而进一步求得该点的沉降量。为了验证该方程的合理性,现场实施了保真度较高,对土体扰动较小的原位平板载荷试验,通过试验结果得到的p-s曲线计算沉降,并与修正后的渗流固结理论得到的沉降量进行对比。     

双孔隧道中后掘进盾构对地表沉降的影响

受地下空间限制,城市地铁双线隧道间净距较小,后掘进盾构隧道施工将引发地层二次扰动,导致额外地层变形,对临近构筑物安全威胁尤甚。当前研究主要基于地表横向沉降曲线研究双线隧道掘进引起地表的沉降规律和地层扰动特点,但地表横向沉降曲线不能全面反映前、后掘进盾构隧道施工引起的地表沉降发展过程及规律。以杭州地铁某区间双线盾构隧道地表沉降长期监测数据为依托,采用地表沉降时程曲线和地表横向沉降曲线相结合的方法,分析双线盾构隧道前、后掘进引起的地表沉降规律。研究表明,后掘进隧道引起的土体损失率在0.6%～0.8%之间,地表最大沉降量在15.2～20.7 mm之间,均大于先行隧道引起的土体损失率和地表最大沉降量;由于后掘进盾构对地层的二次扰动,导致最终地表沉降槽曲线并不严格关于双线隧道轴线中点对称分布,地表沉降最大值略微偏向后掘进隧道轴线。通过地表沉降时程曲线发现,先行盾构通过监测断面后,地表沉降迅速发展,主要沉降范围在隧道轴线6 m范围内;由于先行盾构隧道掘进扰动,在后掘进盾构到达前2天(约3倍盾构直径距离)地表开始发生明显的沉降;在后掘进盾构施工影响下,所引起其轴线处地表沉降量大于先行掘进盾构所对应的轴线处沉降值。     

矩形顶管隧道群施工对后背土体扰动规律的初步研究

为更准确地计算矩形顶管隧道施工所需顶推力,揭示小间距顶管隧道群施工中后背土体在顶推力多次叠加作用扰动后的变化情况。首先,基于现有顶管顶推力相关计算公式推导出适用于矩形顶管的顶推力计算公式。然后,整理分析某顶管隧道群工程施工中后背土体水平位移、土压力实测数据,论证矩形顶管顶推力计算公式的正确性与合理性,得到后背土体受顶推力作用产生的水平位移是以隧道中心处为最大值的弓形分布、土体在顶推力二次作用下会产生更为显著的变化且存在残余应力现象等结论。最后,采用统计方法对顶推压力与后背土体水平位移、土压力之间的数据进行处理,取得后背土在顶推压力作用下产生水平位移与土压力的经验公式。     

渗透注浆集成棒对盾构隧道土体应力的作用研究

在盾构注浆过程中,由于注浆压力的影响,土体及局部管片应力上升,容易引起管片变形,工程中通常采用取土泄压等方式处理,但这些处理方式仍会造成施工周围土体扰动。基于此,提出一种渗透注浆集成棒,其兼具注浆和排水作用,能有效消散盾构施工引起的超孔隙水压力。通过FLAC 3D对注浆及超孔隙水压的渗透消散进行数值模拟,分析结果得出:土体及管片在注浆初期短时间内压力快速增加,随后趋于稳定,管片超孔隙水压明显小于土体超孔隙水压力;渗透注浆集成棒能有效地减少超孔隙水压,渗透棒周围土体超孔隙水压可减少到原压力值的20%左右;消散后孔隙水压的分布呈辐射分布,越靠近渗透棒,压力越小。     

拱北隧道超大管幕顶进横向地面沉降及管间作用分析

为研究小间距圆周群管顶进时的地面沉降规律及顶管间的相互作用,结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕工程,对群管顶进引起的地面沉降进行分析,确定小间距圆周群管顶进时地层损失率的取值,提出沉降槽宽度系数的经验公式,并通过数值模拟分析先顶管群对后顶管引起地层损失及最大沉降的影响。研究结果表明： 拱北隧道管幕工程群管顶进引起的地表沉降满足控制标准要求。随着顶管埋深的增加,单根顶管引起的沉降槽宽度系数随之增大,地表最大沉降量随之减小,顶管顶进时的初始地层损失率为1.5%。由于顶管顶进技术熟练程度的提高以及先顶管群对土体的加固作用,地表沉降得到有效控制,管幕所有37根顶管顶进结束后的平均地层损失率减小至0.8%。     

隧道开挖及疏水引起的地表沉降与变形

应用随机介质理论、渗流理论和岩土固结理论，推导了隧道开挖疏水渗降漏斗曲线方程和考虑水渗流作用的隧道周边岩土体中有效应力的计算公式，并由此推导了隧道疏水地表沉降和水平位移计算公式；最后利用叠加原理，导出最终的地表沉降及水平位移计算公式。通过对某工程实例的计算分析，验证了该方法的正确性。结果表明：隧道开挖疏水产生的渗流对地表沉降的大小和范围影响明显。     

基于数值模拟的矩形隧道施工方案比选研究

为了保证隧道施工和后期运行的安全,要选择出一个普遍适用于大断面矩形隧道的开挖方案。采用FLAC3D有限差分软件对3种不同的施工方案进行数值计算,对施工过程中隧道周围岩体位移、地表沉降以及周围岩体应力变化的计算结果进行对比分析,结果表明,采用先开挖隧道两侧岩体,后开挖隧道中部岩体的施工方案在应力集中程度和地表沉降方面比其余两种方案最大可降低41.3%和9.5%;隧道开挖过程中对地表沉降影响的范围大致为隧道跨度的5倍;浅埋大断面矩形隧道两侧岩体水平位移模式为向隧道外侧位移,与一般隧道不同。最后,优选出的施工方案将为大断面矩形隧道的实际施工提供参考。     

浅覆土小间距矩形顶管施工地表变形控制技术

为研究顶管施工过程中的地表变形规律,探索地表变形的的控制技术,最大限度地保证顶管施工过程的安全,依托某总部地下停车场项目,针对国内首例采用结构分割转换工法（CC工法）实施的矩形顶管工程施工地表变形影响因素进行分析,主要包括覆土厚度、施工过程地层损失、隧道小间距施工对相邻隧道土体作用等。研究分析表明： 1）通过采取控制掘进速度、控制土舱压力、控制注浆量、控制出渣量、控制顶进姿态等地表沉降控制技术措施,有效地控制了地表变形; 2）在顶推过程的各个阶段,地表变形呈现不同的特点,当出现变形过大时,通过调整土舱压力、补充注浆等控制措施,使地表变形逐渐趋于稳定变化状态; 3）通过对施工过程地表变形监测数据整理分析,进一步验证了采取地表变形控制措施的有效性和必要性。