盾构隧道抗浮计算模式及其适应性分析

施工期盾构隧道的上浮问题随着盾构隧道的大量修建而引起了广泛关注。基于盾构隧道施工中的上浮问题,系统分析了隧道上浮原因,将其归纳为上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压影响、地基回弹作用、上覆土的反向压缩效应以及砂土液化等6个方面;重点分析了因上浮力引起的隧道上浮的抗浮计算模式：从横向和纵向角度提出了局部及纵向总体2种抗浮计算模式。在局部抗浮计算模式中,依据上浮力的特性和作用范围,分为单一管片错动分析模式和整环管片错动分析模式;在纵向总体抗浮计算模式中,讨论了纵向沉降与上浮的异同,进而说明了二者的相通性;并分析了2种抗浮计算模式的适应性。     

浅埋大直径盾构隧道施工期衬砌上浮及地表隆起的模型研究

为解决大直径盾构隧道施工过程中出现的浅覆土段隧道衬砌上浮与地表隆起问题，以上海虹梅南路越江隧道工程为背景，对该问题开展理论研究。将引起隧道上浮的上浮力作用分解为基于浆液时变性的静态上浮力和由注浆压力产生的动态上浮力；分别定义上浮力分布段及浆液凝固段的等效地层弹簧刚度系数，基于Winkler地基梁理论建立衬砌上浮模型；由衬砌上浮位移量计算开挖面上部土体的挤压宽度，土体经挤压隆起引起地层“反向损失”，继而求解隧道轴线上方地表横断面隆起曲线及沿隧道长度方向地表位移曲线。结果表明： 1)模型计算所得地表横断面的隆起曲线呈正态分布，与实测数据吻合较好；2)沿隧道长度方向地表位移计算值能够较准确地预测地表最大上浮位移，且在地表上浮位移隆起量减少前与实测数据吻合较好；3)地表隆起位移只在盾尾离开后一段时间内存在，其值先增大后减小，最终趋于0。     

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。     

软土大直径泥水盾构隧道施工期上浮的控制措施

大直径盾构公路隧道在近工作井区段覆土较浅,施工期易产生上浮现象。借助以往软土地区泥水盾构隧道的设计经验,通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作,得到可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜;间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。隧道抗浮的主要措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。     

考虑管片环间接头效应的盾构隧道抗浮计算与控制分析

为分析盾构隧道施工过程中的上浮问题,分别定义管片环间接头及上覆土产生抗浮作用为接头抗浮效应和上覆土抗浮效应.在考虑纵向螺栓预紧力和顶进千斤顶残余力产生的端面摩擦力,以及上覆土重力的前提下,分析了盾构隧道的抗浮计算式,并通过一具体实例对盾构隧道抗浮进行了计算.分析结果表明:该计算式将注浆压力、纵向螺栓的许用剪应力,以及上覆土的厚度联系起来,在上覆土厚度一定的条件下,能够计算出防止连接螺栓剪切破坏的最大注浆压力,在注浆压力一定的条件下,能够求出满足抗浮要求的最小上覆土厚度.     

复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片技术在实际工程中的应用

为解决由于施工原因导致的区间右线盾构隧道严重上浮事故,文章依托长沙地铁4号线长沙火车南站-光达站区间工程,根据事故隧道所处环境及地质条件,提出在软岩地层中利用复合式衬砌置换缺陷盾构隧道管片的处理方法,主要内容： 1）根据实测数据对线路进行拟合,确定缺陷盾构隧道的长度约为40 m,需处理管片为223～247环,共计25环管片; 2）采用模糊综合评价法对缺陷盾构隧道处置方案进行比选,结果表明在软岩地层中采用复合式衬砌全断面置换缺陷盾构隧道管片方案为最优方案; 3）采用有限元法分别研究单次拆除1环、2环、3环、4环管片时地层及管片的位移及应力变化,结果显示随着一次拆除管片环数的增加,围岩拱顶竖向位移逐渐增大并出现连通的塑性区,邻近第1环管片向隧道内竖向位移及向隧道外水平位移逐渐增大,管片逐渐被压扁,其弯矩、轴力值也逐渐增加,围岩及拆除区域附近管片结构体系越来越不安全,因此施工时需控制一次拆除管片的数量; 4）为确保管片置换时原盾构隧道结构体系的稳定,确保安全,做到快速施工,开发了一种新型台车及其施工方法,将其应用于实际工程。     

基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

针对饱和砂土地层盾构隧道施工中的突水涌砂灾害问题，以上海市轨道交通某盾构区间为研究背景，将自主研制的灾变可视化试验模型与透明土技术相结合，对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。结果表明： 1)盾构隧道突水涌砂灾害发生后，隧道裂隙孔口上方部分区域的土颗粒密实度减小，砂土发生剪切破坏。2)在灾变前期，土颗粒竖向位移场呈椭圆状等值线分布，颗粒位移速度随与隧道中心水平距离的增加而非线性地衰减，当隧道埋深为2D（D为隧道直径）时，水平向影响范围为3D。3)随着灾变的发展，土颗粒位移速度先增大后减小，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒的体积分数占比持续减少，最大程度地还原了隧道突水涌砂后期的灾变现象。     

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。     

盾构施工影响下砂土地层变形规律模型试验研究

为了研究盾构施工影响下隧道埋深、地层损失率、颗粒级配对砂土地层变形规律的影响,设计由试验模型箱、隧道开挖模拟装置以及非接触试验监测系统组成的模型试验系统,利用该试验系统对10种试验工况进行研究。试验模型箱是由钢化玻璃板、底部钢板以及刚框架组合而成的开口箱体,砂性地层采用完全烘干的砂土来制作,盾构开挖过程通过一种能够精确控制地层损失率大小的小型圆筒状传动装置来模拟,试验过程中的地层变化利用视频测量系统进行监测。研究结果表明：随着隧道埋深增加,土体扰动范围逐渐向两侧扩展,地表最大沉降值逐渐减小;当隧道埋深临近土拱形成深度时,沉降槽宽度显著增加,隧道上方核心沉降区逐渐减小。地层损失率与沉降槽宽度之间存在明显的线性关系。砂土粒径越大,地表最大沉降值越小,沉降槽宽度越大;当最大粒径与最小粒径比一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着砂土粒径的增大而减小;当最大粒径一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着粒径范围的增大而增大。不同隧道埋深、地层损失率和砂土颗粒级配下的地表沉降曲线均具有类似高斯分布函数的形态特征,向隧道中线处急剧下降,向远处逐渐变缓,与地层变形规律相似。     

盾构隧道纵向变形机理分析

对隧道纵向性能的研究近年来正受到越来越多的关注.基于盾构隧道纵向变形的两种主要形式,即纵向沉降和纵向上浮,首先分析了纵向下沉和上浮的产生机理,对可能产生下沉和上浮的各种因素进行了系统总结,将下沉原因归结为区间隧道与车站间的差异沉降、下卧土层变化、地面加载、施工影响以及临近施工扰动等5个方面,将上浮原因归结于上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压、地面卸载、地基回弹作用以及上覆土的反向压缩作用等6个方面.进而分别从影响因素、发生时间、发生部位、变形方式以及约束条件等方面,对纵向沉降和上浮进行了综合比较.     

考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用

大直径盾构隧道管片上浮问题是目前隧道建设难点。以大直径盾构隧道施工阶段管片上浮问题为背景,研究硬岩地层大直径盾构管片上浮影响因素,并考虑管片壁后同步注浆的填充效果,深入探究大直径管片上浮规律,为盾构施工速度和注浆效果的控制提供参考依据。根据硬岩地层大直径盾构注浆填充率不足的特点,从管片横向受力角度建立单环管片上浮计算公式。基于弹性地基梁理论建立隧道纵向上浮分析模型,通过梁的挠曲线微分方程并结合边界条件与变形协调方程,推导出考虑浆液填充率和时效性的管片上浮变形及内力的简易解析解,进而采用总量法获得了隧道纵向多环累计上浮量。结合工程实例进行了参数敏感性分析,研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际工程监测数据吻合良好,能够有效揭示隧道上浮过程中的变形规律、管片弯矩和剪力变化特征;上浮规律表现为激增段、缓降段和平稳段;浆液填充率、时效性和地基基床系数对大直径盾构上浮比较敏感,盾体间隙的增大易导致填充率不足,同步注浆应严格控制注浆压力和注浆量;浆液初凝时间和掘进速度直接决定单次注浆影响范围和上浮力大小。研究结果可用于盾构隧道管片上浮及变形预测,在掘进过程中可根据影响因素与上浮关系进一步调整施工参数,对大直径盾构隧道设计与施工具有一定指导意义。     

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。     

强震作用饱和粉土地层盾构隧道碎石桩抗液化技术研究

地震作用下饱和粉土地层易出现液化现象,造成地基失效与结构受损.因此,对地震作用下饱和粉土地层地铁盾构隧道抗液化措施的研究具有一定的意义.依托天津地铁5号线典型液化区段,采用数值模拟的方法分析了碎石桩加固前后盾构隧道的位移响应以及饱和粉土地层的抗液化性能.研究结果表明:在0.3g强震作用下饱和粉土地层2～6 m深度处超孔...     

斜向双线隧道近距离开挖诱发土体位移研究

为研究斜向双线隧道近距离开挖对周围土工环境的影响,依托上海市轨道交通11号线徐家汇站-上海体育馆站区间隧道盾构开挖工程,基于Mohr-Coulomb弹塑性土体模型,采用有限元数值计算软件,模拟斜向双线隧道盾构施工相互影响工况。以隧道相对位置为变量,对隧道施工引起的周边地层变形进行模拟,分析双线隧道斜向3种工况下隧道施工对周围土体变形的影响,得到以下结论： 1）地表沉降曲线在双线隧道水平距离较小时,主要呈单峰状态,且两隧道竖直距离越大,单峰效果越明显; 随着其水平距离增大,逐渐出现双峰效果。2）埋深较浅的隧道施工对地表沉降的影响较大,且隧道中心线以上的土体受扰动程度较大。3）3种斜向工况均在土体表面及较浅隧道附近出现较大的水平位移。     

大直径泥水盾构浅覆土掘进隧道稳定性分析

隧道上浮问题是盾构水域下浅覆土掘进时所面临的一个重要课题。本文针对某过江隧道江中浅埋段的工程地质条件,建立了隧道上浮计算模型,对江中浅埋段的隧道稳定性进行了数值模拟计算,研究分析了隧道承受上浮力后江底变形及隧道内力的变化情况,得出了一定的规律,以期为后期隧道施工提供参考。     

单双线盾构隧道下穿对油罐群变形影响的数值分析

随着城市建设的不断推进,城市建（构）筑物日渐密集,新建盾构隧道不可避免地会下穿既有建（构）筑物。分析盾构穿越对周边结构在全寿命周期内的影响,对既有结构物的维护极为重要。基于此,本文采用三维有限元方法分析某越江盾构隧道穿越工程地面油罐群变形的影响,重点研究施工期隧道穿越、运营期隧道内发生火灾及地震工况下地面油罐群的沉降情况,并对比分析采用单管双层盾构与双管单层盾构隧道建设方案造成的影响。研究结果表明： 施工期盾构顶推时,双管盾构造成的地层扰动大且范围广,故双管方案导致的地表油罐群沉降及倾斜率大于单管方案;当油罐群下方范围隧道发生火灾时,双管盾构同时发生火灾对油罐群的变形影响大于单管盾构发生火灾时带来的影响,而双管盾构中某一条隧道发生火灾对油罐群的影响介于以上二者之间;地震作用下,建设单管隧道与双管隧道后地面油罐的地震响应相对于未建隧道时的地震响应差异不大。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

明挖隧道施工期间下方共线地铁盾构区间上浮控制技术——以深圳市桂庙路快速化改造工程为例

深圳市桂庙路快速化改造工程与下卧深圳地铁11号线平面共线长达3 km。为解决上方基坑开挖过程中引起的下方既有地铁运营盾构区间上浮变形问题,在施工期对下卧盾构区间隧道进行长期自动化监测的基础上,结合数值分析计算,确定下卧地铁盾构区间产生上浮变形的原因。在对比分析开挖工况、地质条件、结构施工和开挖范围及长度等因素对盾构隧道上浮变形影响规律的基础上,结合项目施工上浮控制经验,提出三重高压旋喷桩和三轴搅拌桩地层加固、调整结构施工工序并采用分幅施工方案、提前施作竖井+抗浮板+抗拔桩等地铁盾构区间上浮变形控制措施。现场实践表明,竖井+抗浮板+抗拔桩措施对地铁上浮控制十分有效,能够确保基坑施工期间下卧地铁的运营安全。     

扬州瘦西湖隧道全黏土地层泥水盾构施工开挖面稳定性研究

扬州瘦西湖隧道地处全黏土地层,在该类地层中使用泥水盾构施工的案例较少,全黏土地层在盾构施工下的土体力学性质与变形规律尚未得到充分研究。为了解决全黏土地层在盾构施工下开挖面稳定性与各项盾构参数之间的关系问题,采用室内试验与计算模拟相结合的方法对瘦西湖隧道泥水盾构施工停机状态下的开挖面稳定性进行研究分析。研究结果表明:1)盾构停机时,随着停机时间的增长,泥水不断浸入开挖面前方土体,开挖面附近土体应力表现出一定的拱效应,导致开挖面稳定性不断降低;2)在泥水浸润时间相同的条件下,随膨胀土膨胀力取值的增高,开挖面极限支护压力呈现增长趋势;3)根据开挖面失稳原因,提出了开挖面稳定性控制措施,并通过模型计算进行验证。     

盾构隧道近接施工对既有市政隧道的影响分析

以双线盾构隧道下穿既有市政隧道施工为研究对象,在有效模拟盾构施工顶推力和脱环瞬间应力释放的基础上,考虑土体、既有结构、盾构机体、新建结构多体的相互作用,研究了单线和双线贯通对地层变形、既有隧道内力和变形、围护桩变位以及盾构隧道自身内力的分布特征。研究表明:盾构下穿时,既有矩形市政隧道水平向附加拉应力主要出现在隧道底板,竖向最大附加拉压应力出现在两管盾构隧道中心上方隧道边墙底部位置;在盾构隧道正常施工条件下既有隧道是安全的。