陡倾斜地层大断面小净距地铁车站暗挖施工力学响应分析

为了降低重庆轨道环线涂山站施工风险,提高施工效率,节约工程造价,以涂山站部分主体隧道和联络通道为对象,建立三维有限元数值模型,辅助现场监控量测,分析洞室群的施工力学响应规律,得到以下主要结论:(1)受陡倾节理的影响车站隧道群受偏压显著,右洞的水平位移明显大于左洞;中夹岩内水平位移为零的位置偏向右洞约4 m;地表沉降变形呈非对称分布,沉降最大值位于右洞拱顶上方;(2)主体隧道开挖引起联络通道竖向变形,占总位移的43.2%;联络通道开挖对主体隧道洞周位移的影响较大,对地表变形的影响较小;(3)主体隧道的底部和拱顶出现局部的拉应力区,与联络通道交叉口处的侧壁应力集中较大。     

小净距三孔并行隧道施工对地层土体的影响分析

为研究小净距三孔隧道施工性态,建立考虑地层-隧道互作用的三维有限元模型,分析了施工顺序及施工工法对地表沉降、拱顶及拱腰应力、衬砌应力的影响。结果表明:同一隧道开挖引起地表沉降量正上方大于侧上方,不同跨度隧道开挖引起的地表沉降量大跨度大于小跨度;先中隧后边隧施工地表沉降槽形状为"V"形,先边隧后中隧施工地表沉降槽形状由"W"形逐渐转变为"V"形;中隧道拱顶处竖向应力在掌子面到达前增大,到达后减小,拱腰处水平应力,掌子面到达前减小,到达后增加;衬砌等效应力最大值出现在中隧道第一步衬砌顶部,随开挖步的增加先快速增大,然后缓慢增大,最后趋于稳定。所得结论可为类似工程的设计与施工提供参考。     

膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响

膨胀岩水敏感性强,遇水膨胀变形,而传统的隧道排水系统不能给仰拱下方地下水提供通畅的排出通道。基于荷载-结构设计理念,采用有限元软件构建二维数值计算模型,分析了不同仰拱矢跨比下隧道二次衬砌弯矩、轴力及安全系数的变化规律。结果表明:仰拱矢跨比对仰拱和边墙二次衬砌力学特性影响大,对拱部影响小;随着仰拱矢跨比的增大,仰拱、边墙处二次衬砌弯矩减小,仰拱处二次衬砌轴力增大,墙脚处二次衬砌轴力减小,仰拱、边墙处二次衬砌安全系数均增大;仰拱矢跨比为1/11.87时墙脚处安全系数小于2,不满足规范要求,因此膨胀岩地层隧道设计应适当提高仰拱矢跨比。     

不等跨小净距隧道施工力学分析与应用

为研究不等跨小净距隧道施工时两隧道相互影响关系,基于大横琴山隧道,建立有限元模型,对各开挖步与不同围岩条件以及开挖顺序引起围岩位移、应力及支护结构轴力、弯矩变化进行分析,得到地表及特征线沉降位移、围岩主应力、支护结构特征点轴力及弯矩。结果表明:施工时大跨度断面隧道上部位移较大,同时其地表沉降极值位于隧道中间偏向大跨度隧道处;中夹岩柱在小跨度隧道侧的水平位移较大,因此在支护时,需要对小跨度隧道侧的中夹岩柱进行水平支护,以防止失稳;对比不同围岩条件变形受力特性,较弱围岩条件下施工时,需要进行不对称支护,同时先施工小跨度隧道较优。     

隔离桩桩径对基坑开挖引起既有地铁隧道位移的影响

以杭州市一深基坑工程为背景,采用ABAQUS有限元软件建立三维数值模型,分析隔离桩半径对既有地铁隧道位移的影响。研究结果表明:基坑开挖最终引起了隧道衬砌竖向位移约4 mm,水平位移约1 mm,与实测值相吻合;隧道衬砌位移最大值位于衬砌拱底,最小值位于衬砌拱顶,衬砌变形整体呈沉降的趋势;靠近基坑一侧隧道衬砌总位移比另一侧略大;隔离桩的半径越大,基坑开挖对既有地铁隧道的影响越小。     

填海区地铁盾构隧道下穿公路施工地层沉降规律的数值模拟

以深圳地铁2号线盾构隧道下穿填海区滨海大道公路为背景,利用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,研究在隧道施工扰动下,地表的横向沉降和纵向沉降、地层的水平位移和分层沉降的变形规律.仿真计算结果表明:在隧道横断面方向上地表沉降近似呈正态分布,在纵断面方向上地表沉降槽宽度约为15.0 m;距隧道开挖面越近,地层水平位移受车辆荷载和隧道开挖扰动越大;在车辆荷载作用区域,地表沉降和地层水平位移均大于非车辆荷载作用区域,地层的分层沉降和沉降槽宽度均随着地层埋深增加而减小,地层的上部沉降普遍大于下部;在非车辆荷载作用区域,隧道中心线上方的土体沉降随着地层埋深的增加而增加.     

上下交叠隧道近接施工力学特性的监控量测与数值模拟分析

以厦门北动车运用所新建刘塘隧道上跨穿越既有铁路隧道的近接施工为依托,通过数值模拟和现场监控量测等手段,分析了上跨隧道开挖对下伏既有隧道的力学影响规律。数值模拟与现场监测结果表明,上方卸载使得既有隧道衬砌结构发生轻微水平向收敛和竖直向隆起(约2 mm左右)。另一方面,上方卸载使得既有隧道衬砌左拱肩处(迎挖侧)的轴力显著降低(降幅约为16%),拱顶处的弯矩显著降低(降幅约为31%),而衬砌其他位置处的内力变化幅值不大。从量值上看,若不考虑爆破振动效应,上跨隧道开挖对下伏既有隧道的力学影响有限。上述成果为新建刘塘隧道的安全施工提供技术支持,也为其他类似近接穿越工程提供参考。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

基于荷载-结构模型分析了不同围岩等级条件下整体衬砌内力特征,调整结构受力模式,从最大弯矩位置开始将衬砌结构分为7部分,分析了不同围岩等级及接头刚度条件下预制装配式衬砌结构的受力与变形特征。结果表明:与整体衬砌相比,各围岩等级下预制装配式衬砌的最大轴力和最大位移均不同程度增大,最大弯矩均不同程度减小,使隧道结构更加稳定;随着衬砌接头刚度逐渐增大,衬砌结构最大轴力和最大位移逐渐减小,最大弯矩先减小后增大;相对于整体衬砌,接头刚度小于45 MN·m/rad时预制装配式衬砌边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,因此接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。     

隧道施工对框架结构及地表位移影响的数值分析

研究目的：隧道施工对邻近建筑物影响的现有研究方法通常首先计算地表位移，然后将地表位移施加于建筑物模型上，忽略了建筑物自重和刚度的影响。建立隧道从框架结构正下方穿越的三维有限元模型，分析地表在隧道开挖和既有框架结构共同作用下的位移变化规律，分析隧道施工对梁、柱和桩体位移及受力的影响，为隧道下穿既有框架建筑物的设计和施工提供参考意见。研究结论：框架结构的自重会显著增大地表沉降值及其范围，其刚度会显著限制地表侧向位移；隧道施工对框架结构的竖向位移影响较大，对其侧向变形影响较小；中梁弯矩变化较小，边梁的的最大负弯矩有较大幅度的增加。中柱的轴向压力降低，边柱的轴向压力增加。在实际工程中，应加强对边梁弯矩和边柱轴力的监控．     

滨海孤石地层盾构掘进的稳定性数值分析

孤石是风化岩残留体硬度高强度大,地层存在孤石是阻碍盾构施工的危害之一。依托厦门城轨交通4号线彭厝北站~蔡厝站区间,针对滨海孤石地层盾构掘进的稳定性进行离散元数值分析,分别研究孤石与隧道距离、隧道埋深、孤石位置及盾尾空隙对地层稳定性的影响。研究结果表明:随着孤石与隧道距离增大,地层扰动范围、拱顶衬砌压力变化及地表沉降都有减小的趋势;随着隧道埋深的增大,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,衬砌土压力整体上呈现增大趋势;随着孤石位置逐步远离隧道顶部,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,孤石位于拱肩、拱脚、仰拱底时衬砌压力产生突变;随着盾尾空隙增大地层扰动程度及地表沉降也增大,衬砌拱顶土压力呈增大趋势。     

黄土地区地铁盾构隧道近距离下穿既有线影响规律及控制标准研究

为研究黄土地区盾构隧道近距下穿既有线的影响规律及控制标准,以西安地铁5号线盾构隧道下穿既有2号线隧道工程为背景,分析在既有隧道与下穿隧道竖直净距为盾构隧道管片外径0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍及1.0倍5种工况下的地表沉降和既有隧道在其与新建隧道正交截面上的拱顶及拱底位移、附加应力情况。由结果可知:随着既有隧道与新建隧道竖直净距的减小,地表和既有隧道的拱底拱顶位移均呈线性增大的趋势;地表沉降曲线与既有隧道拱顶沉降曲线呈单峰形态,而拱底位移曲线呈双峰形态,且左峰值小于右峰值;既有隧道在盾构过程中产生正弯矩,应力在盾构穿越其正下方时出现分化;应尽量避免竖直净距小于0.2倍洞径的双线盾构下穿,当采用0.4倍洞径竖直净距下穿时,应将新建隧道拱顶沉降值控制在13 mm以内。     

超大断面黄土隧道CRD法开挖的三维有限元分析

进口位于湿陷性砂质黄土中的凤凰岭隧道,开挖面积达170 m2,由于开挖难度巨大,采用了CRD法开挖技术。运用"PLAXIS 3D Tunnel"三维有限元程序,对CRD法的开挖过程进行了模拟,并考虑了降雨对隧道开挖的影响。计算得出了地表沉降和拱顶下沉,与现场实测值进行了对比分析。此外还得到了初衬结构的轴力、弯矩和锚杆轴力等。计算结果表明,拱顶部位一定范围的锚杆承受压力,且绝对值很小,反映出锚杆作用不大。计算的安全系数表明了开挖过程中整个隧道系统的最不利阶段,也反映了降雨对隧道开挖的显著影响。     

深埋隧道复合式衬砌内力和位移的荷载结构法

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的杆单元弹性模量的合理取值;之后分析了Ⅳ级围岩中非圆形隧道复合式衬砌的轴力、弯矩和位移,围岩对初支、初支与二衬间的约束作用均采用杆单元模拟,其弹性模量分别取地层和初支的弹性模量;最后讨论了侧压系数对非圆形隧道复合式衬砌力学性能的影响。研究结论:(1)轴对称荷载作用下,圆形隧道初支和二衬的轴力和位移的解析解与数值解的误差不到5%,确定了使用杆单元模拟非圆形隧道初支和二衬间相互作用时,其弹性模量可以采用初支或二衬的弹性模量;(2)非圆形隧道二衬的轴力和弯矩均比相应位置处初支的大,初支和二衬分别在拱腰和拱底取得轴力最大值,均在拱脚取得弯矩最大值,均在拱底取得竖向位移最大值;(3)对于侧压系数在0.1到0.3范围内的Ⅳ级围岩,侧压系数的改变对非圆形隧道二衬最大的轴力、弯矩和位移的影响都比较小;(4)本研究结果可应用于隧道、竖井、管桩等工程结构。     

特大跨度隧道穿越断层破碎带时的施工模拟及受力特点

结合某特大跨度隧道穿越断层破碎带的工程,建立仿真模型进行计算分析。研究了断层破碎带内台阶法施工的拱顶沉降情况,分析了断层内二次衬砌的结构受力情况,并以结构第一主应力为标准提出了断层破碎带的影响范围。分析计算得到的结论为:断层破碎带对台阶法开挖时的拱顶沉降影响极大;断层破碎带会明显延后拱顶沉降的收敛时机;断层破碎带会明显增大二次衬砌结构的侧压力,且断层处边墙存在拉应力集中现象;以二次衬砌边墙第一主应力为标准,断层影响范围约为其自身宽度的3.5倍。     

隧道开挖面接近地质界面时围岩位移特征及其影响因素分析

用FLAC3D分析隧道开挖面接近地质界面时隧道围岩变形行为以及侧向应力、纵向应力、洞室形状、地质界面倾角对隧道围岩位移的影响规律.结果表明:当隧道由硬岩向软岩掘进时,随着开挖面逐渐接近前方地质界面,隧道拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的增加;当隧道由软岩向硬岩掘进时,开挖面以及开挖面前方的拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的减小;隧道掘进至硬岩与软岩的地质界面,隧道边墙位置围岩径向位移随侧向应力的增加而增加,拱顶和边墙位置围岩的纵向位移随纵向应力的增加而增加;矩形隧道时围岩的位移最大,马蹄形隧道时次之,圆形隧道时最小;地质界面倾斜时围岩的位移均比地质界面垂直时大.     

高水压作用下单线铁路隧道衬砌受力特性研究

铁路隧道衬砌结构在运营期间的高水压致裂问题日益突出。本文依托新圆梁山隧道工程,采用数值分析方法研究了三种隧道衬砌断面在全环均匀水压力下的内力分布特征。结果表明:普通衬砌(a型)、蛋形衬砌(b型)的轴力和弯矩分布相似,拱顶、拱腰和拱脚为这两类衬砌的受力最不利位置;圆形衬砌(c型)的拱顶和拱腰为受力最不利位置。不同的衬砌结构形式下,衬砌轴力值和弯矩值与水压力均呈线性关系。不同衬砌断面形式下轴力相差不大,采用蛋型衬砌能小幅度降低衬砌所受弯矩,而圆形衬砌则能显著降低衬砌所受弯矩。研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。     

大断面隧道小净距上跨既有隧道施工方案优化北大核心

成都市轨道交通17号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间隧道上跨既有7号线盾构隧道采用交叉中隔壁法施工。通过数值仿真结合现场监测,分析大断面隧道以小净距上跨施工时既有隧道拱顶隆起与地表沉降的变化规律,并通过分析新建隧道初期支护厚度、钢拱架间距、单次拆撑长度对既有隧道拱顶隆起和地表沉降的影响,对原施工方案进行了优化。结果表明:先行开挖的两个导洞施工对既有隧道拱顶隆起与地表沉降影响明显;既有隧道拱顶隆起与地表沉降随钢拱架间距和单次拆撑长度增大而增大,随初期支护厚度增加而减小。建议新建隧道上跨施工时采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合衬砌结构,钢拱架间距取0.4 m,单次拆撑长度取6 m。     

地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片碎裂机理研究

针对地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片出现大量裂缝与碎裂掉块现象,以成都地铁某盾构隧道为例,从地层条件、土方开挖与施工顺序、管片拼装质量以及管片开裂掉块情况出发,运用有限元仿真方法,对地表大范围开挖卸载过程中下卧隧道的位移和内力的变化规律进行分析。结果表明:下卧盾构隧道的整体隆起变形呈现水平向直径变小、竖向直径增大的规律;隧道拱顶和拱底的弯矩减小、轴力基本不变,拱顶处局部区域由内侧受拉转变成外侧受拉,拱顶接缝由内侧张开转变为外侧张开、内侧挤压;隧道安全的威胁主要来自隧道拱顶处内侧挤压、隧道竖向椭圆度增加以及接缝两侧管片不平整接触(错台),而非结构内力变化。由此提出采用改性环氧树脂灌注、环氧砂浆填充和粘贴碳纤维对隧道管片的裂缝和破碎处进行修补的方案,修补后管片的承载能力完全满足地铁运营的要求。     

软土地区深基坑近接地铁隧道施工水平位移影响因素

依据杭州文一西路提升改造工程监测数据，采用有限元软件ABAQUS建立深基坑近接既有地铁隧道三维数值模型，分析了深基坑施工时地表沉降、支撑轴力以及地铁隧道沉降的变化规律；通过改变加固区宽度、强度和近接水平间距，分析各因素对地铁隧道水平位移的影响。结果表明：地表沉降曲线呈凹槽形，随着施工的进行，钢支撑轴力和拱顶沉降基本呈线性增长，拱底总体上先抬升再沉降。地铁隧道水平位移与加固区宽度、强度和水平间距呈负相关，但水平间距在4～7 m时位移变化幅度较小；地铁隧道拱腰最大水平位移对各影响因素的敏感性排序为加固区宽度>加固区强度>水平间距，地铁隧道水平位移对加固区宽度和强度更敏感。     

水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。