盾构隧道洞周土压力颗粒流数值分析

对盾构隧道洞周土压力的变化规律进行了数值模拟,研究了不同盾尾空隙、不同直径、不同埋深时隧道洞周土压力的分布规律,分析了隧道正上方土体的应力路径,并对隧道洞周土体竖向位移随埋深的变化规律进行了探讨。结果表明:盾尾空隙小于20 cm时,开挖对竖向土压力的影响区在2.7倍隧道直径范围内,土压力拱主要产生在隧道上部2倍隧道直径范围内;根据隧道正上方不同位置处土体的应力路径,将该区划分为3个区段:1洞周松动区,2稳定的压力拱区域,3土拱效应不明显的区域;随着隧道埋深的减小,其正上方的地表下沉量逐渐增大,而地表沉降的影响范围逐渐减小。     

地铁盾构隧道施工对地层变形影响的三维数值模拟

以南京地铁玄武门—新模范马路区间隧道盾构施工工程为背景,使用FLAC3D软件在考虑盾构隧道施工中的开挖、排土、衬砌等步序的前提下,进行盾构隧道掘进施工对地层变形影响的三维数值模拟.结果表明,在盾构掘进施工过程中,地层沉降具有明显的时间效应;地表沉降量随之逐渐增大;地层横向沉降变形随着地层埋深的增加,最大沉降值逐渐增大,沉降槽宽度逐渐减小;地层沉降历时曲线呈现出反"S"形.     

软土盾构隧道基底加固对长期沉降的影响分析

在富水软弱地层中,如何预测及控制地层扰动引起的长期固结沉降一直是盾构隧道施工面临的重要问题之一。基于FEM-FDM水土完全耦合理论,利用同济曙光三维有限元软件,分析了珠海某隧道软土区段局部加固对盾构施工引起的土体工后长期固结沉降的影响规律。数值计算结果表明:地层及隧道拱顶长期沉降槽随埋深增大逐渐变深变窄;盾构隧道基底加固分别使地表及隧道拱顶的最大沉降量减小34.2%和27%,且使二者更快趋于稳定,但对隧道结构变形的影响并不明显;加固会使隧道竖向应力有所增大,但不会改变其沿隧道轴向的分布规律;有基底加固时隧道拱腰处的超孔隙水压力消散更快,使得固结沉降更快趋于稳定。     

土压平衡盾构隧道引起的地表沉降规律研究

盾构法作为地铁隧道施工的一种主要施工方法已在我国得到广泛的应用,由施工引起的地层移动和地表沉降是盾构隧道设计和施工中备受关注的问题。以广州地铁3号线某盾构区间隧道为研究对象,运用三维有限差分法对盾构施工过程中影响地面沉降的因素——土舱压力、盾尾注浆压力和地层损失率进行较为系统的研究,可得出结论：影响盾构隧道地表沉降最大的因素为地层损失和注浆压力,增大土舱压力对降低隧道地表沉降的作用非常有限。     

双线盾构隧道施工沉降影响因素分析

盾构隧道施工引发的地层沉降一直是困扰工程界的难题。以北京地铁14号线方庄—十里河站区间双线隧道为背景,构建三维数值计算模型对先后线路隧道开挖和注浆过程进行分析。采用修正的剑桥模型计算地层土体,采用刚度迁移法模拟盾构掘进过程和同步注浆的施工过程。分析了壁后注浆压力、注浆量、浆液随时间固结硬化及先后掘进施工对地表变形的影响。结果表明:合理确定注浆量和注浆压力能够有效控制地表沉降,考虑浆液硬化的沉降计算结果要大于不考虑硬化因素的结果;在最优注浆压力和注浆量的条件下,用体积应变法模拟注浆并考虑浆液硬化的计算结果更与现场监测值非常吻合;后期线路施工不仅引起地层进一步沉降,还增大了先施工隧道的结构变形。     

盾构施工参数对土体及单桩的影响

采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工,通过变化注浆压力及推进力研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响.增加注浆压力是减小盾构推进对周围土体影响的最有效的措施.当注浆压力足够大,推进力、盾尾脱离及浆液硬化对土体的影响程度相同.若使隧道顶点的沉降及隧道底部土体的回弹减小相同的数量,底部注浆孔的压力要大于顶部注浆孔的压力.当推进力大于临界值时,推进力对隧道周边土体的影响明显增加.隧道周边及地表处各点的位移变化主要发生在盾构机通过这些点所在位置时,衬砌生成后,随后的开挖步对其影响很小.桩侧隧道洞室衬砌生成后,随后开挖步施加的注浆压力可以明显减小桩顶沉降,注浆压力越大,桩顶最终沉降越小.推进力对桩顶沉降影响不明显.盾构施工引起的桩顶和桩底的沉降始终相同,即桩整体下沉.桩顶无荷载及桩顶施加工作荷载时,开挖引起的桩顶沉降相同;桩顶施加极限荷载时,开挖引起的桩顶沉降明显增加.     

富水卵漂石地层土压平衡盾构施工参数研究

针对富水卵漂石地层土压平衡盾构(EPBS)施工出土控制困难、掘进效率低问题,依托成都地铁某盾构隧道区间的现场实验段,对富水卵漂石地层中土压平衡盾构的实测关键施工参数进行了统计分析,并探索了与地层相适应的掘进参数以及提高掘进效率的途径。研究参数包括:出土量、土舱压力、贯入度、掘进速度等,研究结果表明:虽然富水卵漂石地层中的土压平衡盾构掘进易超出土,但通过适当减少土舱压力和增大贯入度能够减少超出土量,盾构法适用于该地层;改善地层可掘削性能和适当降低土舱压力是提高掘进速度有效方法,而增大总推力可能导致掘进速度下降。     

各向异性地基中盾构隧道开挖面稳定性分析

将盾构开挖面卸荷引起的主应力轴旋转考虑到"楔形体-棱柱体"极限平衡模型中,基于Casagrande各向异性强度公式,推导得到各向异性地基中盾构开挖面极限支护压力的极限平衡解,最后结合算例分析了各计算参数对极限支护压力的影响。算例分析表明:盾构开挖面极限支护压力随各向异性比的增大而线性减小,在各向异性比小于1时,若不考虑土体强度的各向异性会偏于不安全;在各向异性比大于1时,盾构开挖面极限支护压力随埋深比的增大而先减小后稳定,在各向异性比小于1时,规律则相反,且土体强度各向异性越明显,其变化的幅度越大;盾构开挖面极限支护压力随土体黏聚力的增大而线性减小,随土体内摩擦角的增大而非线性减小。     

软弱富水地层盾构掘进引起的地表变形控制

以苏州地铁5号线某区间盾构隧道为研究对象,以施工期间掘进参数及隧道地表实测监测数据为依据,分析盾构掘进工程中地质条件、土仓压力、推进速度等因素对地表变形的影响。结果分析表明:盾构掘进面前方一倍洞径处,地表易隆起,地表隆起量随着推进速度、土仓压力、同步注浆压力的增大而增大;随着盾构掘进,地层受施工扰动及水土损失影响,地层开始出现沉降,并不断增大,在距离盾尾两倍洞径位置附近趋于稳定。文中针对盾构在富水砂层、粉土、粉质粘土段掘进存在的问题,提出了地表变形控制措施。     

回填土区浅埋盾构隧道开挖地层响应分析

为分析回填土地层中浅埋盾构隧道的土舱压力设置对地层变形的影响问题,根据重庆轨道交通五号线北延伸段工程区间隧道施工过程建立盾构施工数值模型,设置监测断面,对不同开挖阶段和不同土舱压力下的地层变形情况和沉降曲线进行了提取和分析。研究结果表明：在依托工程条件下,盾构隧道掘进施工过程中引起的地表沉降槽幅宽在3倍洞径左右,土舱压力取值为0.125MPa左右时对地层变形的影响最小。     

地铁区间隧道穿越粉细砂地层土压平衡盾构施工技术

石家庄市城市轨道交通1号线体育场站~北宋站区间隧道穿越粉细砂地层,施工采用土压平衡盾构掘进技术,对始发洞口进行了双管旋喷桩加固,掘进过程中优化了盾构推进速度、土仓压力、出土量、推力及注浆压力等主要技术参数,保证了施工安全,区间隧道顺利贯通;采用同步注浆和二次注浆措施及优化的掘进施工参数控制了掌子面的稳定和地表沉降。工程实践证明土压平衡盾构也适用于粉细砂地层的区间隧道施工。     

地铁盾构双线隧道施工地层变形及衬砌结构应力数值分析

为预测盾构双隧道施工周围土体的变形及衬砌结构管片应力规律,以石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间双线隧道为工程背景,在考虑各土层材料性质及盾构施工工艺的基础上,利用FLAC3D建立了盾构双隧道的三维精细数值模型,研究了盾构双隧道衬砌管片的应力规律,并与现场实际监测数据进行了对比分析.结果表明:盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30m.随着隧道埋深增加,对应地表监测点位累计沉降值变小,与隧道埋深成反比对应关系.隧道附近土体的第一主应力存在应力集中现象,应力集中系数约为1.3.衬砌管片应力分布存在差异性,靠近双隧道共同扰动的管片侧的拉应力和剪切应力集中现象较为明显.衬砌管片横断面形变以"椭圆化"变形为主,兼有断面收缩变形.     

三向应力作用下浅埋锚定板的容许抗拔力计算

应用三向应力作用的双剪强度理论,在Rankine土压力理论的基础上,得出三向应力作用下无粘性土的主动、被动土压力计算公式;将此公式应用于无粘性土中浅埋锚定板的容许抗拔力计算,使计算出的容许抗拔力值比以只考虑大小主应力而不考虑中间主应力的Mohr-Coulomb强度理论为基础计算出的该值增大,表明实际土体具有更大的抗拔潜力.     

盾构隧道施工对富水软弱地层的扰动分析

为研究盾构隧道施工对富水软弱底层的扰动影响,以大连地铁某标段盾构隧道施工为例,首先基于修正剑桥模型建立土体本构关系,利用Shell结构单元模拟盾构初衬;然后采用流固耦合方法研究土体固结过程对盾构开挖引起软弱地层扰动问题;最后根据仿真结果与现场实测数据,绘制地表沉降对比分析曲线,给出盾构施工引起地表沉降的动态变化趋势.结果表明：孔隙水在盾构开挖完成后仍持续向隧道方向渗透,并引起距隧道较近区域的扰动趋势大于周围较远区域.本研究对提高富水软弱地层条件下盾构施工过程建模的准确性和实效性、指导盾构施工具有指导作用.     

MJS工法在盾构上跨隧道工程中的应用研究

以南京在建地铁7号线永初路站至雨润路站区间盾构上跨既有2 号线油坊桥站至雨润大街站盾构隧道MJS加固工程为研究对象,分别采用数值模拟和现场实测的方法制定合理加固方案,根据实测数据分析MJS桩施工扰动对隧道变形的影响并据此提出工艺参数建议值。研究结果表明:沿既有隧道纵向加固至开挖盾体外侧1.5倍洞径可满足盾构上跨变形控制要求;MJS成桩引起地层应力增大仍会导致隧道发生竖向和水平位移,但不会对横断面收敛产生附加影响。建议软土及粉细砂地层注浆压力不宜大于40MPa,倒吸水压力应达到注浆压力的50%。该加固方案及盾构超近距上跨工程案例对类似工程的设计和施工具有指导意义。     

砂卵石地层下伏膨胀岩土盾构隧道结构内力特征

成都地铁二号线区间盾构隧道局部穿过砂卵石下伏膨胀岩土地层,为获得下伏地层膨胀荷载对盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,采用数值方法分析了下伏地层在不同范围发生局部膨胀时对衬砌结构外侧压力的影响.通过现场测试得到了盾尾注浆时和隧道贯通后衬砌结构荷载及内力的分布规律,并与不同膨胀荷载下结构内力的计算结果进行了比较.研究表明:膨胀圈厚度及范围对膨胀后压力增量的影响较小,膨胀力对压力增量的影响较大;局部膨胀荷载的存在将增大管片结构弯矩,对结构受力不利,负弯矩是下伏膨胀岩土地层盾构隧道结构设计的控制因素.计算砂卵石下伏膨胀岩土地层中盾构隧道结构内力时,应考虑膨胀荷载的影响,膨胀荷载可采用数值分析等手段确定.      

黏土与粉土复合地层及其中地铁隧道的车致长期沉降

为了探明列车荷载对黏土与粉土复合地层及其中地铁隧道的长期影响,以无锡某地铁区段为研究对象,建立了轨道-隧道-地层系统的耦合2.5维数值模型,分析了运行列车诱发地铁隧道下覆黏土及粉土复合地层的动应力响应规律,进而结合循环荷载作用下黏土及粉土的不排水累积变形特征及孔压累积特征,采用分层总和法研究了列车振动荷载长期作用诱发该复合地层及其中地铁隧道的长期沉降量值及发展规律. 研究结果表明:1） 隧道下覆地基土的动偏应力沿深度方向呈先增大后减小的变化趋势,其最大值出现在隧道下覆约1.3 m深度处,可达2.80 kPa;2） 地铁列车运行导致复合地层中隧道结构的沉降主要发生在地铁列车前20万次运行期内,且隧道结构的沉降在此期间发展得较为迅速;3） 复合地层中隧道结构稳定后的车致沉降量值可达13.44 mm,其中由土体不排水累积塑性应变引起的沉降为11.40 mm,占比85%,由累积孔压消散引起的固结沉降为2.04 mm,占比15%;4） 隧道下覆黏土与粉土复合地层长期变形主要发生在隧道下方15 m范围内,该范围内的土体沉降对隧道结构长期沉降量值的贡献占比达90%.      

砂土地层盾构隧道稳定性三维离散元研究

为探明砂土地层盾构隧道掌子面的稳定性,以Chambon和Corté开展的模型试验为基础,采用三维离散元方法研究了隧道埋深对隧道掌子面稳定性的影响规律,并从细观角度解释了开挖面失稳机理.离散元模型引入了三维柔性应力边界,将模型试验中空气或流体压力对掌子面的支撑效应抽象为作用在掌子面颗粒上的指定支护压力,逐步减少该压力,结合地层变形精确得到极限支护压力.通过删除进入隧道轮廓内的砂土颗粒模拟盾构开挖,以考虑该施工力学行为对掌子面稳定性的影响.研究结果表明:隧道埋深与隧道直径之比小于等于1.0时,掌子面极限支护压力随埋深增加而增加,此后趋于稳定,砂土地层中极限支护压力比随埋深增加而减少,地表沉降突增点对应的支护压力小于掌子面极限支护压力,失稳区直接发展到地表,工程中应同时关注地表沉降与仓内支护压力以保证开挖面稳定;隧道埋深与隧道直径之比大于等于2.0时拱顶上方形成了稳定的塌落拱,延伸高度分别约为0.7D（隧道直径）~1.3D与0.9D~2.3D.      

对不同土体参数盾构施工地表沉降数值分析

以盾构法施工隧道为研究对象,采用Flac3d软件模拟盾构开挖过程,基于摩尔-库伦屈服模型,应用控制变量法分别对不同弹性模量、内摩擦角、粘聚力、膨胀角和泊松比土体进行模拟。结果表明:地表沉降槽近似正态分布曲线,隧道围岩的弹性模量和黏聚力越大,地表沉降越小;泊松比、内摩擦角和膨胀角越大,地表沉降也越大,提出通过减少围岩扰动和提高围岩性质两种控制盾构隧道地表沉降的方法。     

盾构隧道穿越河堤引发异常沉降原因分析及治理

依托长沙地铁2号线区间穿越龙王港河堤地表沉降过大的工程案例,分析了沉降发生的原因及相应采取的工程治理措施。为研究治理方案的实际效果,采用有限元软件Plaxis对地层加固前后区间隧道穿越施工工况进行模拟,对周边土体位移、地表沉降、盾构管片弯矩的数值进行对比分析。结果表明:通过注浆加固提高盾构隧道覆土范围土体工程力学性能后,可以有效减低整个地层的位移及盾构管片弯矩数值。监测数值表明,对河堤进行注浆加固可以有效地防止地表过大沉降。