双连拱地铁隧道施工关键技术及力学行为模拟

研究目的:本文依托西安地铁5号线雁鸣湖停车场段双连拱隧道浅埋暗挖工程,结合该工程中导洞+上下台阶施工方法,探讨双连拱地铁隧道在黄土地区应用的关键技术,并从地表沉降、对既有隧道影响、新建隧道衬砌应力变化及变形规律四个方面论述双连拱隧道施工的力学行为变化规律。研究结论:(1)受中导洞分割作用,左、右正洞施工相互影响微弱,其初衬变形规律基本相同,双连拱隧道施工引起的地表沉降可以认为是中导洞、右洞、左洞独立开挖引起的地表沉降的叠加;(2)当前施工方案下既有隧道主要产生整体性偏移,最大水平位移及竖向位移分别为7. 2 mm、5. 5 mm,而其最大拱腰收敛量仅为2. 25 mm,最大应力变化量仅为0. 35 MPa;(3)初衬拱顶沉降可分为三个阶段:迅增阶段、缓增阶段、稳定阶段,其中迅增阶段(超过监测断面2倍洞径以内)为施工过程中的关键阶段,施工过程中应加强监测,并根据实测数据采取相应保护措施;(4)初衬施工过程中,随着后行洞的开挖,中隔墙受力逐渐对称,墙中心水平偏移及墙角应力偏差减小,初衬施工结束时中隔墙受力及变形已基本恢复对称;(5)本研究可为黄土地区城市地铁双连拱隧道施工关键技术及力学行为规律的进一步研究提供有益参考。     

盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工技术研究

成都地铁5号线为满足车辆调度需求,在九兴大道站小里程端采用左线盾构隧道与右线大断面浅埋暗挖隧道的双线并行布设方案,双洞净距2.9m。本文以该超小净距隧道为背景,采用数值模拟方法对隧道开挖时地表沉降规律及夹层土体应力状况进行了分析。结果表明,无论何种开挖次序,先行隧道的开挖均会导致后行洞开挖引起的地表沉降曲线向先行洞偏移并有所增大;由于左线小断面盾构隧道施工扰动理论上较小,因此先施工右线大断面浅埋暗挖隧道后再进行左线盾构隧道的施工顺序更为合理;先浅埋暗挖后盾构隧道施工造成的地表沉降值在两洞中间区域略小于先盾构后浅埋暗挖隧道施工;双线隧道通过后地表沉降槽呈现出"U"形状态,盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1/4;双线开挖过程中中间土体在浅埋暗挖隧道一侧受施工的影响更为明显,应重点关注。     

浅埋暗挖矩形隧道施工方案比选研究

针对某新建地铁浅埋暗挖矩形隧道的工程特点,采用FLAC3D软件对各导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟。通过对比分析地表沉降、隧道拱顶沉降、底板隆起位移、初期支护内力等指标,寻求区间隧道周边地层变形及结构受力的特点和规律,从而选出最优的施工方案。研究表明:矩形隧道断面6导洞(先中间后两边)非对称开挖顺序可有效控制地层变形和结构受力;地铁区间隧道地表沉降曲线呈现"凹槽"形状,在隧道横断面方向影响范围约为4倍开挖跨度,掌子面开挖过后监测断面处地表沉降量所占比例约为60%;隧道拱顶沉降和底板隆起位移大部分发生在掌子面位于监测点前后10 m范围内,各导洞开挖顺序对支护结构内力影响较小;工程应用实践表明采用推荐的6导洞施工方案是安全可行的。     

超大断面暗挖隧道双侧壁导坑法施工沉降预测及控制

地铁工程暗挖大断面隧道分多导洞施工时,群洞效应对沉降控制影响较大,为将地表及拱顶沉降量控制在监测预警值及控制值以内,需将监测预警值及控制值分解至每个导洞,来分别控制每个导洞开挖引起的地表及拱顶沉降。针对本工程双侧壁导坑法施工大断面6导洞施工顺序,根据经典的Peck公式将地表及拱顶监测预警值14 mm及控制值20 mm分配至每个导洞,确定本工程停车线隧道各个导洞沉降控制指标,得出与工程施工同步的各导洞监测控制值,绘制了导洞施工时其横向及纵向影响曲线,并在施工中采取一定的措施抑制大断面隧道最终的沉降。     

高寒地区地铁隧道沉降规律研究

以哈尔滨地铁3号线湘会暗挖区间右线隧道施工监测为背景,通过对地铁施工过程中地表沉降监测点和拱顶沉降监测点累计沉降值的分析,总结哈尔滨地铁在隧道开挖过程中地表沉降和拱顶沉降的变化规律。发现隧道开挖过程中纵向地表沉降主要发生在上台阶掌子面通过监测断面前1.6 B(B为洞宽)到通过监测断面后4.8 B范围内,并对比冻融对地表沉降造成的影响;横向地表沉降主要发生在距隧道中心线两侧3.2 B范围内,给出横向地表沉降数学表达式并计算出沉降槽宽度参数建议值为k = 0.78,其结果与实测结果吻合较好;隧道内拱顶沉降主要发生在上台阶掌子面通过监测点前1.6 B到通过监测点后3.2 B范围内;隧道内初期支护体系的设置对控制拱顶沉降有明显作用。     

黄土塬区浅埋暗挖隧道慢坡段施工期围岩变形特征分析

黄土塬区浅埋隧道慢坡段由于距地表边沟、冲沟距离不等,围岩压力分布不均,难以形成自然拱,给施工带来诸多风险。选取银西高速铁路黄土塬区上阁村隧道典型浅埋慢坡段断面为研究对象,分析了施工过程中围岩应力、含水率、洞内变形及地表沉降的变化规律。结果表明:围岩初期支护应力分为增长-波动-稳定3个阶段,其收敛期约在开挖后84 d;围岩含水率先增长后趋于稳定,收敛期约在开挖后118 d;拱顶下沉量是净空水平收敛量的2～3倍;地表沉降影响范围为距隧道中线约18 m以内。     

无中导洞连拱隧道施工方案优化分析

本文以云南香丽高速上长坪隧道为研究背景,利用有限元软件对无中导洞连拱隧道施工方案及施工工序进行二维计算分析。通过对不同工况隧道开挖后地表和拱顶沉降、围岩应力以及支护结构内力进行对比分析,结果表明:对于不同工法而言,左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工况而言最大能减小19. 86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序而言,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显;不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内;连拱隧道左洞开挖完后,右洞的第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。     

砂卵石地层中PBA工法导洞开挖顺序对地表沉降的影响

运用有限元软件ABAQUS对砂卵石地层中PBA工法车站施工过程进行数值模拟,结合现场实测数据,对比分析不同的导洞开挖顺序对地表沉降的影响。结果表明:采用不同的导洞开挖顺序暗挖地铁车站对地表最终沉降值无较大影响;在先行开挖下层导洞的情况下,先行开挖1,3导洞引起的地表沉降与先行开挖2,4导洞引起的沉降差异较小,但先行开挖中部导洞较先行开挖两侧导洞引起的地表沉降大;不同的导洞开挖顺序引起的地表沉降槽在导洞施工完毕时差异较小。     

复杂条件下超大跨地铁车站施工仿真技术研究

研究目的：研究复杂条件下超大跨浅埋暗挖地铁车站施工时,不同施工工序下开挖引起的地层扰动对地表沉降及拱顶下沉的影响规律。研究方法：以某超大跨浅埋暗挖地铁车站作为工程背景,利用ANSYS有限元软件作为开发平台,以浅埋暗挖隧道开挖支护理论为基础,采用平面应变模式,对双层两柱暗挖结构的三跨连拱隧道开挖支护全过程进行非线性仿真研究。研究结果：仿真计算结果与现场监测数据基本吻合,可以指导该类型隧道施工的地层沉降仿真研究、施工作业及信息化施工。研究结论：地表沉降影响范围约3倍洞径,最大沉降量为20.75 mm,拱顶最大下沉量为29.93 mm;超大跨隧道分部开挖“群洞效应”明显,在“上软下硬”围岩地层中,地层变形控制的关键工序是上部软岩断面的开挖支护,下部断面要减少爆破振动对地层变形的影响;大跨隧道开挖支护中,不同分部开挖引起的沉降量及沉降槽宽度是不同的。     

斜穿地裂缝黄土地铁隧道施工诱发的地表沉降及隧道变形规律研究

研究地裂缝影响区内存在可弱化土体的不利因素情况下,西安黄土地区地铁隧道暗挖斜穿地裂缝施工所诱发的地表及隧道相关变形规律。通过FLAC3D模拟预测施工变形规律,并与实际监测数据进行对比分析,得到以下结论:(1)FLAC3D模拟表明,隧道暗挖施工穿越地裂缝时裂缝临近处收敛值会在初期出现短暂负收敛现象;(2)地表在地裂缝影响带的差异沉降发展集中在穿越前和穿越过程中,而拱顶上下盘差异沉降主要集中在穿越过程中;(3)当地裂缝影响带内存在可弱化土体强度的不利因素时,地表最终沉降的峰值点会向不利因素处移动;(4)拱顶最终沉降的峰值点基本在隧道轴线和裂缝的相交处,其受地表的土体弱化因素影响较小。     

断面非对称小净距黄土地铁隧道施工顺序模拟对比研究

西安地铁5号线兴庆路站至青龙寺站区间隧道在兴庆路站站后设置停车线,为同时满足左线停车和双线正常行车的功能需求,拟选用左线(大断面)双侧壁导坑法和右线(小断面)台阶法的施工方案进行施工。针对该地铁隧道不同施工顺序采用二维动态有限元数值模拟,通过分析施工引起的拱顶沉降、拱腰收敛、地表变形、衬砌内力和中间土体应力特征及规律,得出大小断面地铁隧道先后施工相互影响的规律性成果:不同施工顺序对拱顶沉降和地表变形影响相差不大,而先行小断面隧道采用台阶法施工完成后对隧道拱腰收敛、衬砌内力及中间土体应力的影响较先行大断面施工的影响小,采用先施工小断面隧道的施工顺序更为合理。     

黄土连拱隧道施工方案优化分析

为了优化双连拱隧道的施工方案,依托山西某黄土连拱隧道,利用ANSYS建立数值模型并导入FLAC3D中,模拟了三导洞法和台阶法的开挖,分析了两种施工方案下连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降规律,拱顶和中隔墙大主应力变化以及压力拱范围,结果发现:台阶法施工该连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降、应力影响范围比三导洞法小,台阶法施工连拱隧道使得中隔墙的偏应力条件较早得到纠正,形成了较好的受力体系。最终台阶法(三导洞法)形成的拱顶、中隔墙上部围岩压力拱为1.0D(1. 5D)范围,台阶法施工对围岩的扰动范围也更小。因此,为保证该隧道的整体稳定性,建议本隧道采用台阶法施工。     

浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位分析

研究目的:为了解浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位规律,本文结合西安地铁二号线依托工程,构建三维数值计算模型,对黄土地区浅埋暗挖地铁隧道施工的地表、地层纵、横向变形规律进行系统研究,以期提高黄土地区地铁区间隧道的修筑水平。研究结论:(1)双洞开挖的空间效应与开挖洞径和相对位置有直接关系,后开挖洞室掌子面距先行洞室测试断面两倍洞径左右时开始产生影响,开挖洞室到先行洞室测试面断面时,影响最大;(2)浅埋暗挖法施工中地表地层沉降基本经历缓慢变化、急剧变化及逐渐平稳三个阶段;(3)施工对地层的影响与埋置深度近成反比关系,随地层深度逐渐增加,施工对另一侧地层的影响则逐渐减弱;(4)沉降速率与距离监测断面成反比关系,随掌子面向监测断面的靠近而不断增大,而后随着掌子面远离监测断面而不断减小,呈漏斗形,最大值在掌子面过后的2~4 m的范围;(5)横向的地表沉降曲线呈宽底漏斗状,地层沉降曲线变为标准W形;(6)本文研究成果可为西安地铁修建中的地上地下重点文物和古今建筑的保护提供技术支持。     

浅埋大跨暗挖地铁车站施工地表沉降分析

研究目的:针对浅埋大跨暗挖隧道地铁车站施工中,易产生地层的反复扰动、力学转换复杂等现象,引起地表过大沉降。本文主要介绍浅埋大跨暗挖地铁车站施工,通过对地表沉降的监控量测,分析变形规律,并对各种影响效应进行分析。研究结论:通过研究得出以下结论:(1)车站主体施工引起的地表沉降累计沉降平均为-36.31 mm,应该对地表沉降的限值进行修正,达到施工对周边环境影响最小,同时降低工程成本;(2)车站主体施工引起的地表沉降槽为:以车站中线为中心,拐点距沉降槽中心18 m左右,车站中线20 m以外地表沉降开始迅速减小,沉降分布范围为车站中心左右两侧约25~30 m;(3)车站主体施工引起的地表沉降主要发生在小导洞开挖支护和扣拱施工阶段,其地表沉降分别占到总沉降的48.47%和93.03%,尤其是小导洞开挖支护阶段,对地表沉降的贡献接近总沉降的一半;(4)该研究成果可为类似浅埋大跨暗挖地铁工程的设计、施工提供借鉴。     

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。     

北京地铁6号线浅埋暗挖法车站施工地表沉降规律研究

对北京地铁6号线浅埋暗挖法车站施工引起的地表沉降规律进行研究,通过其中10个车站的地表沉降监测数据,分析地表沉降与车站埋深、开挖面积等影响因素的相关关系。研究结果表明:车站埋深与地表沉降不成反比;开挖面积相近时,东四站及其以东的暗挖车站地表沉降值明显大于其以西的暗挖车站;地表沉降区间频率曲线服从正态分布,地表沉降-40~-60 mm出现的频率最大;暗挖车站主体小导洞及桩柱体系、初支扣拱、二衬扣拱3个主要施工阶段引起的地表沉降比值为38∶14∶5;沉降槽反弯点与隧道中线的距离为10~14 m,地层损失率为0.3%~0.7%。研究结论可为类似车站周边环境风险评估及北京规划远期地铁线路起到指导作用。     

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。     

重庆北站大断面立体交叉段施工技术研究

研究目的:近距离交叉隧道修建带来的挑战日益增多,本文依托重庆北站10号线与环线交叉换乘车站工程,运用数值计算、理论分析、现场监测数据等手段,对应力、变形及实测数据进行对比分析,从而确定合理的施工方案,为类似地铁工程建设提供参考。研究结论:(1)在3个备选方案中选择了方案一:10号线先开挖,且10号线二次衬砌先施作;(2)对方案一的交叉段进行数值模拟,最大沉降及最大隆起分别为8.2 mm和4.04 mm,都没有超过安全值;(3)实测数据表明,地表建筑物沉降最大值为1.30 mm,净空收敛最大值为12.53 mm(爆破扰动),拱顶最大沉降为7.76 mm,可见采用方案一开挖交叉段可以很好地控制隧道围岩的稳定性,进一步验证了选择方案一的合理性;(4)该成果可供重庆地铁车站等类似地铁车站的施工参考。     

硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性研究

研究目的:青岛地铁2号线华楼山路站处于硬岩微风化岩层,设计两端采用复合式岩石喷锚支护和吊脚桩支护方式进行明挖,中间段采用三台阶七步暗挖法,并采用爆破施工。本文以该车站工程为背景,在施工过程中对车站主体及周边环境进行现场监控量测,分析硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性并总结变形规律,为类似工程施工提供参考。研究结论:(1)复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段地表沉降小,基坑开挖初期地表沉降快速增大,开挖至地板位置趋于稳定,明挖段最大沉降量小于暗挖段最大沉降量;(2)相同深度位置处,复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段锚杆内力小,吊脚桩深层水平位移呈"倒梯形"分布;(3)暗挖隧道内,拱顶沉降和净空收敛主要发生在三个阶段,即上台阶和中台阶左右两侧开挖阶段,下台阶开挖时开始趋于缓慢稳定;(4)该研究成果可应用于指导硬岩大跨度地铁车站的施工领域。     

大跨地铁风道导洞开挖的地表沉降分布规律研究

北京地铁8号线大红门桥站-和义站区间附属风道为跨度16.2 m的单跨结构,采用暗挖洞桩法(PBA工法)施工。为有效控制导洞开挖引起的地表沉降,必须合理安排导洞施工顺序。基于三维数值模拟方法对不同的导洞开挖方案地表沉降分布规律进行研究,并与地表沉降监测结果进行比较分析。结果表明:不同的导洞开挖顺序的地表沉降发展路径差别显著,但最终的沉降值基本一致;随着导洞的开挖,地表沉降槽宽度增加并不明显,但是由于导洞开挖的群洞效应,地表沉降速度发展较快。因此在后续的拱部开挖支护中,必须通过调整支护措施和开挖方案来严格控制地层沉降。