砂土地层盾构隧道开挖面支护压力与地表变形关系模型试验研究

为研究砂土地层盾构隧道开挖面支护压力和地表变形的关系,文章通过自制模型试验系统,测量了砂土土样地表变形和开挖面支护压力,分析研究了地表沉降、隆起与开挖面支护压力之间的关系。通过测量不同覆土厚度情况下的扰动区域范围,建立了开挖面前方土体沉降和隆起破坏模型;试验得到了开挖面支护压力和地表变形相关关系曲线,在此基础上,提出了以0.2%开挖洞径变形量作为实际支护压力设定的参考点,并结合朗肯土压力公式给出了维持开挖面稳定的极限支护压力上下限值。为便于应用,建议了维持地表特定变形量下的支护压力值。     

大断面矩形顶管隧道开挖面土体稳定性研究

文章以采用土压平衡矩形顶管法施工的内蒙古科技大学地下通道为背景,采用理论分析、数值模拟、现场监控量测等手段,对砂砾石地层条件下矩形顶管开挖面的主动和被动破坏规律进行了研究,主要得到了以下结论:(1)考虑顶管隧道开挖面为矩形断面的特点,建立梯形楔体计算模型,推导出开挖面主动破坏时的极限支护应力计算公式并应用于实际工程,采用该公式计算得到的极限支护压力与数值模拟计算结果相差较小,两种研究方法得到了相互验证;(2)采用FLAC3D数值模拟得到的地表沉降槽与实测地表沉降槽形态基本相似,近似服从正态分布,且地表沉降值基本接近;(3)随着支护应力比的减小,开挖面塑性区逐渐由开挖面前方向斜上方发展,当支护应力比为0.165时,开挖面前方土体水平位移骤然增加,开挖面塑性区延伸至地表,土体丧失整体稳定性,发生主动破坏,且从开挖面失稳后地表塑性区扩展形态来看,基本接近梯形楔形体形状,从而验证了解析公式计算模型的合理性;(4)随着支护应力比的增大,开挖面前方土体塑性区自开挖面顶部向地表斜上方延伸,当支护应力比为3.0时,塑性区发展至地面,此时土体失稳,发生被动破坏,其塑性区范围远小于主动破坏时的塑性区。     

富水大断面黄土隧道开挖流固耦合效应分析

兰州市轨道交通1号线东岗站后配线区间大断面隧道洞身黄土层含水率达到28.5%左右,饱和度达95%以上,施工中会诱发初期支护沉降变形过大、围岩长时间难于稳定等复杂问题。文章根据室内土工试验数据,建立三维有限元模型,基于流固耦合和不耦合效应,分析对比了富水大断面黄土隧道采用CRD法和双侧壁导坑法施工时的初期支护受力和变形特征、地表沉降及孔隙水压力场分布特征。结果表明:在该地层条件下,考虑流固耦合作用较不考虑流固耦合作用,地表沉降、初期支护竖向和水平位移无论是增长速率还是最终值都要大,后期无明显减小,且更接近现场实测值,但两者作用下的初期支护受力变化不大;基于流固耦合效应,采用CRD六部法在地表沉降和隧道变形控制效果方面更加有利,两种工法初期支护受力数值近似,但分布形式不同;流固耦合作用下,地下水水力梯度较大的地方主要位于隧道边墙和仰拱,施工时易发生渗漏,同时应做好拱部喷混凝土密实和回填注浆等,防止渗流场发生转移。     

盾构隧道开挖面被动极限支护压力的三维解析解

文章基于莫尔-库仑屈服准则,通过优化楔形块体的倾角并考虑土体粘聚力的影响,对现有的楔形块+倒棱台的土体破坏模型进行改进,建立了能够得到盾构隧道开挖面处于被动极限平衡状态下支护压力的三维计算模型;同时推导得出了相应的计算公式,并通过优化计算得到了开挖面处被动支护压力最小时楔形块体的倾角及极限支护压力;结合一算例,将所建模型的预测结果与经典的上限解进行了分析对比,验证了其合理性;最后探讨了土体内摩擦角、土体粘聚力、隧道上覆土厚度与隧道开挖面处被动极限压应力间的相互关系。研究结果表明:土体的粘聚力越大,开挖面处被动极限支护压应力越大,两者呈线性关系;土体的内摩擦角越大,被动极限支护压应力越大,且其变化速率也越快;随着隧道上覆土厚度的增加,被动极限支护压应力逐渐增加,且变化速率越来越快,两者之间近似呈指数函数关系。     

岩溶隧道土质围岩段地表沉降估算方法研究

岩溶隧道土质围岩段在渗水条件下易产生地表下沉。为此,文章考虑掌子面渗水导致水位下降而引起的地表沉降,提出了一种潜水稳定渗流下的地表沉降估算方法。文章基于渗流和固结理论分析了渗水条件下围岩中土体单元的自重有效应力和渗流有效应力的变化,并以降水漏斗曲线为界线对围岩沉降区域进行划分;基于开挖横断面建立了二维平面并通过二重积分分析推导了在渗水条件下由渗流作用引起的隧道地表沉降估算公式。文章以广西壮族自治区六寨—河池高速公路瑶寨隧道为依托,分别采用现场实测与估算的方法对土质围岩段地表沉降进行预测,结果表明:两种方法所得结果整体上较为接近,但在距离开挖面3 m的水平开挖径向范围内,实测值大于估算值。研究内容可为渗水条件下岩溶隧道土质围岩段的地表沉降估算提供参考。     

考虑流固耦合效应的水下隧道岸坡深基坑开挖数值模拟

文章以长沙市湘江大道浏阳河水下隧道工程为依托,改进了以往数值方法在反映隧道流固耦合效应方面的不足,建立了同时反映岩土体力学特性和水体流动规律的流固耦合模型,基于弹塑性流固耦合效应,对明挖段基坑开挖进行了三维数值模拟.从而揭示出:基坑开挖至预定深度后,由于岩土体内渗流尚未达到稳定状态仍会继续发展,基坑变形及支护结构受力还会继续增长.这一研究结果为基坑支护及安全施工提供了技术支持.     

复合地层隧道开挖面稳定性分析

文章针对隧道开挖地层为复合地层的情况,构建复合地层隧道数值分析模型,研究复合地层隧道开挖面稳定性,同时分析不同支护压力作用下开挖面位移及塑性区的变化特征。研究结果表明:(1)研究复合地层隧道开挖面位移与塑性区变化特征,上软下硬的开挖面位移由0.04m增加至0.45m,塑性区范围扩展且集中于开挖面前方;(2)不同支护压力能够有效降低开挖面位移,支护压力与开挖面位移呈现指数函数降低,同时塑性区范围逐渐向软硬岩分界面处收缩,直到开挖面前方无塑性区;(3)极高支护压力作用下,塑性区不仅不会消失,甚至会由顶底板处重新扩展到软硬岩分界面处。     

盾构隧道开挖引起邻近桩基响应的时空效应

为研究软粘土地层中隧道开挖期和运营期的桩基响应,文章借助有限差分软件FLAC3D,通过采用精细模拟法进行CVISC模型下盾构隧道分步开挖数值模拟,得出了桩基响应随隧道开挖和流变时间的变化情况,全面分析了考虑土体流变特性时盾构隧道开挖引起邻近桩基响应的空间效应、时间效应以及群桩的遮拦效应。结果表明:隧道开挖对桩基的影响主要集中在开挖至桩基前方1倍洞径与开挖至桩基后方2.5倍洞径之间;隧道开挖完成后,桩基的内力和位移在很长时间内还会继续增大,然后达到稳定,且桩基轴力先达到稳定,沉降达到稳定所需时间最长;群桩中内力的遮拦系数大于位移的遮拦系数,随着流变时间的增加,群桩的遮拦系数会逐渐增大。     

基于局部刚度修正法的盾构隧道下穿历史保护建筑数值模拟分析

局部刚度修正法可以考虑接头和手孔对管片衬砌环的刚度影响,其假定管片接头及手孔附近区域的刚度应该进行修正,而管片其余区域的刚度却保持原有刚度。文章考虑管片环向接头引起的衬砌环刚度折减,采用小应变硬化土本构模型分析盾构掘进引起的衬砌结构内力、地表沉降和周边土体位移响应,建立了隧道-土体-建筑相互作用的三维有限元数值模型,并在上海地铁11号线双线区间盾构隧道下穿越历史保护建筑物工程中进行了应用。作为对比,建立了基于惯用法的三维数值模型,并与现场实测结果进行对比,结果显示,局部刚度修正法和实测值吻合更好。模拟结果表明,既有建筑不仅改变了地表的沉降槽,而且极大地减小了沉降槽相关点的水平位移;既有建筑的扭曲值与隧道开挖面和既有建筑的位置有关,且最终既有建筑的扭曲值并未随施工的结束而减小,而是保留了较大的残余扭曲。文章所提出的模拟方法可为软土地区盾构施工扰动控制研究提供参考。     

上软下硬地层地铁隧道下穿既有城市道路的变形规律及控制措施研究

在上软下硬地层中进行隧道开挖时,常引起较大的地表沉降,危及既有建(构)筑物。文章依托深圳地铁7号线安托山停车场出入线下穿深圳北环大道工程,采用数值模拟和现场监控量测相结合的方法,利用三维有限差分软件FLAC~(3D)建立了下穿施工过程数值计算模型,分析"八"字形隧道下穿既有道路施工过程中,路面沉降特性及地层沉降规律,并通过现场多种监控量测手段加以对比验证。研究结果表明:地表沉降槽总体呈"人"字型,在隧道间距小于2.0D时,左右隧道拱顶沉降槽叠加效应明显。在隧道间距小于4.0D时,地表沉降有较大叠加;左右隧道开挖引起的上覆地层变形影响范围随深度增加而减小,减小速度随地层深度增加而增加;通过分析模拟过程中每一开挖步引起的地表沉降量,论述了超前支护措施对控制地表沉降的作用,并就超前注浆参数进行对比研究,进而优化了施工工法与支护对策。     

土体力学参数随隧道施工动态变化对地层扰动影响的研究

文章基于土的三相体系,并依据隧道施工对土体扰动区域的划分,推导得出土体孔隙比与体应变的关系;运用有限元法计算不同区域的体应变,参考土体力学参数与孔隙比的关系,计算扰动土体力学参数在隧道开挖前后的变化,进而研究考虑土体力学参数变化与否对地层扰动的影响差异。计算实例分析表明:相对于假设隧道开挖过程中土体力学参数恒定的情况,在考虑土体力学参数改变情况下地表最大沉降增大8.1%,塑性区域范围面积增大55.6%。     

人工素填土下浅埋暗挖横通道CRD法施工的地表沉降监测分析

浅埋暗挖隧道距离地表近,施工工序繁多,开挖和支护相互交错,施工过程中地表变形复杂。文章介绍了大连地铁2号线春光街站的工程概况和施工监测方案,并对其横通道地表沉降数据进行了分析研究。分析结果表明,在人工素填土下隧道开挖引起了地表整体下沉呈扁漏斗状,沉降槽特征较为明显;隧道掌子面施工对地表有明显影响,横向影响范围为30 m,纵向影响范围为15 m。由此提出建议,监测布点在掌子面前方15 m、监测有效期限为70 d,即可满足隧道围岩稳定性要求。     

浅埋隧道开挖引起围岩及地表变形和应力释放特性浅析

通过数值仿真分析试验,分析了浅埋隧道开挖施工引起的隧洞围岩及地表的沉降变形和应力释放特性规律.试验结果表明,开挖后拱顶围岩沉降变形明显,为施工支护重点控制部位；隧道底部将发生隆起,并随着距离隧道中心线越远,隆起趋于平缓；开挖将引起地表沉降变形,随距离隧道中心线越远沉降越小；开挖引起围岩应力释放大约在3倍洞径左右.     

复杂条件下浅埋暗挖地铁车站施工地表沉降规律分析

文章以沈阳地铁中街站大跨度隧道工程为研究对象,应用FLAC3D计算软件,对复杂条件下浅埋暗挖大跨度隧道引起的地表沉降变形特征进行了数值模拟。根据洞桩法施工开挖方案,紧密结合工程实际,将动态施工开挖过程划分五个工况进行模拟,分析各施工工况对地表变形的影响和分布规律,并按工程信息化施工要求事前将预测数据提供施工单位,以指导施工控制地表沉降。模拟结果表明,采用洞桩法开挖施工过程中,对地层土体扰动较大,明显影响隧道中心附近地表变形的步序是小导洞开挖和初期支护扣拱施工阶段,约占最终沉降量的70%;而其他步序影响较小。最终,地表沉降在隧道横向分布呈"W"形态。模拟结果与现场监测数据具有较好的拟合性,表明利用数值分析方法预测大跨度隧道施工期地表沉降是可靠的。     

基于随机介质理论的基坑地表沉降计算方法研究

针对深基坑开挖及降水过程引起的地表沉降问题,文章引入随机介质理论中的地层损失概念,推导了基坑开挖引起的地表沉降计算公式,推导并改进了容重变化和渗透力变化引起的地表沉降公式,并考虑了支护结构-土界面摩阻力对沉降的影响,探讨了随机介质理论在基坑开挖计算中关键参数的确定问题,最后与文献[10]计算结果及实测地表沉降结果进行了对比分析。结果表明:本文计算方法得到的基坑周边地表沉降分布与实测沉降更为接近,能更准确地预估基坑开挖及降水引起的地表沉降;因考虑了土体的持水度和支护结构侧摩阻力的影响,在1.5倍开挖深度范围内的计算精度远高于传统方法,在基坑1.5倍开挖深度范围外的计算精度得到进一步提高;对于有支护结构并使用坑内降水的敞口基坑,应用本文计算方法预测地表沉降,能取得较好的效果。     

盾构隧道施工引起周围土体超孔隙水压力的分析

盾构隧道施工在推进过程中将不可避免地对周围土层产生扰动,从而在土体中产生超孔隙水压力,导致后期固结沉降。文章基于修正剑桥模型,采用应力路径法,对盾构掘进产生的超孔隙水压力的大小、扰动范围以及分布规律等进行了计算分析,从而得出了盾构施工引起的周围土体超孔隙水压力峰值;同时,通过考虑开挖面土舱压力、隧道中心处土体的静止土压力及土体粘聚力等因素的影响,确定了盾构施工引起周围土体超孔隙水压力的影响范围;在不考虑纵向渗流的前提下,根据达西定律原理推导得出了隧道周围土体超孔隙水压力的分布规律。结合算例分析表明:采用应力路径法得到的隧道周围土体超孔隙水压力的峰值与隧道的埋深呈线性关系;随着隧道埋深的增加,盾构施工对土体的扰动范围及超孔隙水压力的峰值都在不断增加;但超孔隙水压力的变化趋势随隧道埋深的增加逐渐变缓,当H/D=1.5时超孔隙水压力的变化趋势近似为线性。     

临近端头井盾构开挖引起土体沉降数值分析北大核心CSCD

文章以南昌地铁2号线雅苑路站施工为例,基于小应变硬化土体(HSS)本构模型,建立从端头井始发的双线盾构隧道掘进模型,分析了基坑开挖与双线盾构掘进共同作用下的土体沉降规律。结果表明:(1)加固盾构始发区土体可有效减弱区域范围内地表沉降,该区域内地表沉降量远小于区间隧道沉降量;(2)在同一埋深条件下,先建隧道地表沉降最大值高于后建隧道地表沉降最大值,地表横向沉降槽呈现非对称W型;(3)基坑开挖与盾构掘进共同作用下引起的地表沉降值,可以由二者单独作用产生的沉降值叠加计算得到。     

考虑蠕变与渗流作用的软土基坑开挖模拟研究

为研究渗流与蠕变的相互耦合作用对软土基坑开挖的影响,文章以深圳地铁11号线前海湾站基坑工程为背景,基于FLAC~(3D)中的渗流和蠕变分析模式,对不同计算条件下软土基坑的桩后水压力、桩位移、地表沉降以及坑底隆起等的变化规律展开研究。研究结果表明:(1)渗流和蠕变作用均会对基坑开挖变形产生较大影响,只有综合考虑这两者间的相互影响,才能保证基坑开挖模拟计算结果与实际相符合;(2)基坑开挖过程中,基坑两侧桩最大位移值和位置都与开挖时间呈指数衰减关系,而基坑两侧地表最大沉降除会在每次降水过程中急速增大外,其余时段则与开挖时间保持相对缓慢的线性增长关系;(3)随着潜水水位埋深的增加,基坑两侧地表最大沉降和桩体最大位移都将线性减小。     

西安地铁九号线区间“先隧后井”合理开挖方案研究

风井横通道穿越既有盾构隧道管片施工是"先隧后井"法施工的难点,选择合适的开挖层数、台阶间距及管片的破除方式对开挖面的稳定、邻近盾构隧道管片的安全及地表沉降控制是极为重要的。文章以西安地铁9号线某区间为工程背景,构建"先隧后井"法施工的3D有限元模型,并根据地表沉降实测值,进行盾构隧道掘进过程的追踪模拟和地层参数反演分析。结果表明:采用分层分台阶留核心土方法来开挖横通道较为合理,其中开挖层数建议为4层,台阶间距建议为3 m,在横通道掘进穿过既有盾构隧道管片时,应先破除与横通道交界处两侧管片,再破除中间部位管片,且在破除管片前应放松影响区内管片之间的连接螺栓,减少对管片的纵向和环向破坏。     

暗挖交叠隧道地表沉降实测分析

北京地铁6号线北海北—南锣鼓巷区间隧道工程为北京地区首例暗挖交错重叠隧道工程,区间隧道从上下平行逐级过渡为左右平行,隧道开挖方式为先开挖右线隧道(下行隧道),再开挖左线隧道(上行隧道)。文章通过对该工程18个地表沉降监测断面实测数据进行分析,得出暗挖交错重叠隧道施工引起的地表变形规律。研究结果表明:(1)随着双线隧道角度的增加、距离的减少,地层沉降重叠效应显著增加,后建的左线隧道开挖对地表沉降影响也逐渐增加;(2)左线隧道施工改变了地表沉降槽的形式,使双线隧道地表最大沉降值的位置偏离右线隧道,沉降槽宽度增加;(3)既有结构的存在阻挡了地层变形的传递,减小了地表的变形,双线隧道的减小程度比单线隧道大;(4)采用深孔注浆的方式可以有效控制地表沉降,减少施工对周边环境的影响。研究成果可为同类工程地表变形控制提供参考。