基于实测数据统计的盾构隧道土压力分布规律研究

盾构管片所受土压力大小与盾构隧道施工过程中同步注浆、盾构机姿态、管片及地层刚度等因素紧密相关,上述问题的复杂性决定了已有理论公式和经验方法并未较好地反映盾构管片实际受力状态。文章通过收集35座盾构隧道的52个典型土压力监测断面实测数据,基于实测数据统计分析了盾构隧道土压力分布规律和影响因素。结果表明:(1)盾构管片所受土压力在0~400 k Pa之间的占样本总量的90%以上,经验注浆压力取0.3~0.4 MPa较为合理;(2)管片所受土压力与埋深近似呈指数关系,最大土压力与稳定土压力差值随埋深增大而减小;(3)侧压力系数λ范围为(0.5,2.3),部分超出了规范推荐的Ⅵ级围岩(0.5,1.0)取值区间,直接沿用规范建议值有失稳妥;(4)管片所受土压力与管-土刚度比近似满足二次函数关系,管-土刚度比ψ=1.0时,管片受力最为合理;(5)粘土地层管片所受土压力时空分布具有典型的4个阶段,即拼装阶段—注浆影响阶段—固结收缩阶段—土压力回升阶段,环向土压力具有不对称分布特性;砂土地层土水压力监测曲线分别呈"弱衰减脉冲式波动"和"双驼峰"分布特征,稳定后环向土压力对称分布特性显著,水压力具有"下大上小"的灯泡型分布形态。其结论可为研究盾构隧道土压力作用机理及管片设计方法的完善提供参考和借鉴。     

福州软土地区土压平衡盾构隧道地表沉降特性分析

文章依托福州软土地区地铁2号线某土压平衡盾构区间隧道,对盾构施工地表沉降监测数据和掘进参数进行分析,总结了地表沉降的特点。结合沉降实测值,给出了地面沉降修正双曲线预测公式的参数。分析结果表明:无论是福州软土地区土压平衡盾构施工引起的地层损失沉降、固结沉降,还是考虑固结沉降的长期沉降均符合Peck公式;盾构掘进时可影响到刀盘前方3D~5D范围,产生少量隆起(沉降);地面沉降主要为盾尾脱离后3~5 d内的地层损失沉降和扰动土体的固结沉降,测量期间分别约占总沉降的65%和32%,实际上固结沉降占比较之更大;修正后的双曲线模型可为福州软土地层类似土压平衡盾构隧道工程条件下隧道中心轴线地面沉降预测提供一定的借鉴,参数a,b和c取值范围分别为-0.14~-0.67 mm/d,-0.028~-0.042 mm~(-1)和-0.89~7.67 mm。     

大直径盾构隧道穿越建筑物群变形分析与控制措施北大核心CSCD

大直径盾构隧道掘进施工对土体造成扰动,导致地表产生沉降或隆起,继而严重威胁上部建筑物群的结构安全。文章依托某大直径盾构隧道穿越老旧小区密集建筑物群工程,首先利用二维有限元软件计算关键断面房屋的沉降变形,再对比三维有限元软件的计算结果,分析两种计算方法的适用范围;然后基于三维模型探究了不同初期荷载释放率对盾构穿越引起的地表和房屋变形的影响,最后利用Peck公式计算的理论地表沉降数据,梳理初期荷载释放率、地表沉降、地层损失率三者的内部联系并提出了控制变形的相关措施。研究结果表明,初期荷载释放率越小,地表及房屋沉降也越小,对应的地层损失也越小;对于控制地表变形,减小荷载释放率等同于减小地层损失率;初期荷载释放率、地表沉降、地层损失率这三者减小的量值呈线性关系。     

盾构隧道施工对强透水砂卵石地层扰动规律研究

文章以下穿黄河某盾构隧道区间为研究背景,结合现场实际施工情况,揭示了强透水砂卵石地层力学特性及失稳机理,同时根据现场监控量测数据,深入分析了强透水砂卵石地层受盾构施工荷载扰动后的地层沉降规律,并提出了相应的安全控制措施。研究结果表明:下穿黄河段典型断面地表横向沉降值分布呈现明显的离散性,与Peck经验公式预测模型拟合度较低;通过对盾构掘进参数进行合理优化,适当提高盾构推力设定值,严格控制盾构掘进姿态和切口泥水压力波动范围,可有效控制地表沉降变形。     

以色列复合地层盾构土舱压力计算方法分析

以色列特拉维夫"红线轻轨"项目盾构隧道穿越以粉细砂、粉土质砂、库卡(砂岩)为主的复合地层,针对复合地层盾构土舱压力难以合理计算的问题,将在建盾构区间的地层组段划分为4个岩土组,在确定每个岩土组物理力学参数的基础上,将普氏理论结合欧洲规范下常用的经验法、JS法和AK法,对4个岩土组的土压力进行计算,并对计算结果进行了分析。分析表明:采用三种计算方法的平均值可有效避免单种方法计算土压力时的局限性,且土舱压力随地下水位高度的变化而变化,与隧道上覆土层厚度无关。通过将该方法的计算结果与实际的开舱压力进行对比,验证了采用该方法计算以色列复合地层盾构土舱压力的准确性,可为类似工程的施工参数提供借鉴和指导。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。     

大断面隧道深浅埋划分方法研究

在中国现行的铁路和公路隧道设计规范中,隧道深、浅埋的划分是以松弛荷载概念作为基础的,并具有统计上的意义,但这种划分方法线条较粗,并没有充分考虑围岩的自承能力.文章以隧道围岩能否形成安全有效的压力拱为基本原则进行了隧道深、浅埋的划分.对于地表水平或近似水平情况,按平面应变假定,认为面内最大主应力的最大值出现在压力拱的内边界处,而将面内最大主应力方向发生偏转(拱体内最大主应力方向为水平方向,拱体外部最大主应力将恢复为开挖前的竖直方向)的点作为压力拱的外边界;当地表有较大坡度时,由于地形对自重应力场分布产生的影响,这里以等效埋深代替实际埋深,用以修正按地表水平情况计算的深、浅埋分界值.根据上述思路,对目前在建的某四线大断面车站隧道,通过数值模拟,建议取30m埋深作为隧道深、浅埋分界值.     

武汉地铁越江盾构隧道纵向不均匀变形及力学特性研究

地铁盾构隧道,尤其是大型跨江海的水下地铁盾构隧道,局部埋深通常要大于普通地铁盾构隧道,而且要承受较高的水压力作用;盾构隧道作为特长线性结构,其纵向刚度较小,对于外部荷载的变化较为敏感,由此产生的不均匀变形是隧道工程中不可忽视的问题。文章针对武汉地铁越长江盾构隧道工程,通过三维数值计算探讨了埋深变化、水压变化、地层变化及穿越刚性结构物等因素对越江盾构隧道纵向不均匀变形及受力状态的影响。     

地铁盾构掘进引起的软弱地层沉降分析

昆明地铁首次在含有泥炭质土软弱地层中采用盾构法施工,难度极大。文章依托昆明地铁首期工程实践,考虑含有泥炭质土软弱地层条件下先行隧道施工对后行隧道施工的影响,建立修正的Peck公式对地表沉降进行计算,在此基础上采用数值方法进一步分析该软弱地层条件下地铁盾构掘进引起地层沉降变形规律,并与地层沉降预测经验公式对比。研究表明:本文方法与数值模拟结果以及现场监测数据吻合较好,可以较好地分析含泥炭质土软弱地层中盾构掘进引起的地层变形规律;先施工隧道的外侧地表沉降变化率较大,后施工的隧道外侧地表沉降变化率较小,但横向沉降范围较大;最大沉降量位于两隧道轴线的中线和先施工隧道的轴线之间,主要由先施工的隧道引起。最后,结合盾构施工监测数据,提出了含泥炭质土软弱地层条件下地铁盾构施工地层变形控制技术措施。     

考虑盾构隧道壁后间隙与注浆分布模式的地表沉降随机预测方法

盾构隧道施工中的壁后间隙、注浆分布模式、开挖面土体变形是影响地表沉降的三个主要因素,而这些因素又与地层条件和施工工艺密切相关,但现有研究中对这些因素量化分析的成果较少。文章基于随机介质理论,将上述三个影响因素分别用等效间隙量Δ1、等效间隙分布角α和负土体损失量Δ2来表示,推导出了盾构隧道施工中三维地表沉降预测公式,并将计算参数Δ1和α对地表沉降的影响进行量化分析;同时,根据实际工程中的沉降监测数据对参数取值进行反演分析,得出了盾构隧道施工中预测地表沉降的三维解。将文章提出方法的计算值与实测沉降值、修正Peck公式的计算值分别进行对比发现,该方法能更真实地预测实际地表沉降的大小和分布特征,证明了提出方法的合理性和反分析参数的可靠性。     

泥炭(质)土地层盾构隧道结构力学行为研究

文章以昆明泥炭(质)土地层地铁盾构区间工程为依托,对隧道结构周边不同地层分布及组合工况其影响盾构隧道管片衬砌结构的内力分布规律进行了研究;在此基础上,选用最不利荷载工况,采用改变地层抗力系数的方法模拟泥炭(质)土地层扰动,对泥炭(质)土不同扰动程度下盾构隧道管片衬砌结构力学行为进行了深入研究,得出了盾构隧道结构内力随泥炭(质)土扰动程度的变化规律。研究成果可直接指导昆明泥炭(质)土地层地铁区间盾构法隧道的设计,同时为软土地层盾构隧道的设计提供指导。     

河底地铁盾构隧道管片受力特征分析

穿河盾构隧道相比其它区段盾构隧道的工程地质和水文地质条件更为复杂,特别在我国南方地区,季节性降水量大,地表及地下水位变化明显。针对穿河盾构隧道富水软粘土地层,文章以佛山地铁2号线某区间穿河盾构隧道管片为研究对象,利用Abaqus有限元软件,采用梁-弹簧模型对受力管片进行数值计算分析,并与现场试验所测得的管片轴力进行验证。结果表明,现场测试管片受到的土压力略小于采用全覆土压方法的计算值;盾构隧道周围的水压对管片内力的影响较大,穿河盾构隧道即使上部土层透水性差,在管片设计时也要考虑岩层中裂隙水和承压水存在的可能,且为安全考虑,作用在管片上的土压可按全覆土压来计算。     

考虑多因素耦合的高填明洞垂直土压力计算方法研究

文章基于传统土压力计算理论,通过定义明洞宽度、断面型式、填土性质、边坡坡角和槽宽比等影响系数,对传统土压力计算公式进行修正,提出了四个影响系数下高填明洞洞顶垂直土压力计算公式。首先,将不均匀变化的土压力采用荷载等效的方法转化为均布荷载,同时采用数学回归法、数值模拟法等确定了高填明洞洞顶垂直土压力回归曲线数学表达式,分析影响系数随H/W(填土高度与明洞宽度比值)的变化规律,得到影响系数对高填明洞洞顶垂直土压力的影响程度和影响趋势,以此来确定高填明洞洞顶垂直土压力的计算公式。随后,对建立的计算公式选取两种铁路明洞设计工况进行验证。结果表明,提出的计算公式的计算结果与数值模拟结果的平均相对误差为1.68%,验证了该计算公式的正确性。     

全断面富水砂层浅埋盾构隧道下穿平房群施工参数研究

盾构在富水砂层中掘进时,容易出现喷涌、地表沉降大、流砂等现象,给掘进施工带来很多问题和困难,尤其是在全断面富水砂层中掘进时,如何控制盾构施工参数显得极其重要。文章结合广州地铁21号线水西站—长平站盾构区间隧道工程实例,考虑了工程实践中盾构穿越全断面富水砂层且下穿薄弱基础的水西村民房建筑的情况,进行了盾构施工措施及试验段掘进参数分析,确定了盾构下穿水西村民房建筑的施工参数。监测结果表明:参数实际控制值与分析拟定值接近,地表沉降可以控制在5 mm内,房屋沉降可以控制在10 mm内,验证了参数选取的正确性。盾构在全断面富水砂层中下穿平房群时,实际土舱压力高于静止土压力,同步注浆量不低于1.6倍的理论值,提高土压力和推力可以有效降低平房群的沉降值。     

类矩形盾构隧道装配式衬砌结构设计参数研究

以曲墙曲拱的类矩形断面形式设计两车道拼装式盾构隧道衬砌,考虑地层抗力系数、覆土厚度、设计荷载等因素的影响,建立类矩形盾构隧道衬砌的梁-弹簧模型。结合昆明地区典型地质剖面,分别对均质环模型和梁-弹簧模型进行内力计算,验证计算模型的合理性。研究结果表明:随着地层抗力系数的增加,衬砌结构弯矩及剪力逐渐减小,轴力逐渐增大,改善了管片结构的受力状态。     

新加坡地铁C855标盾构隧道开挖面稳定性分析及泥水压力设定

复合地层中盾构隧道开挖面稳定性一直是盾构隧道工程技术难点之一。新加坡地铁环线属于典型的复合地层,并首次大规模采用泥水平衡盾构施工。文章结合地铁环线C855标段,对复合地层泥水平衡盾构施工中开挖面的稳定性分析与泥水压力设定等问题进行了探讨,基于Anagnostou和Kovari提出的楔形体模型,引进稳定数Ns概念,对沿线开挖面的泥水压力进行了分析计算,综合考虑设备性能、周边环境条件、现场组织与实施等因素给出了泥水压力设定表;并针对工程实施过程中遇到的问题,如开挖面坍塌、泥水逃逸以及降水等情况进行了分析,成果可为其它类似工程提供借鉴与参考。     

深圳地铁盾构隧道近距离上跨既有线引起的结构变形研究

随着城市轨道交通网络的不断加密,新建地铁隧道近距离穿越既有隧道的现象越来越多。盾构近距离上跨施工对既有线隧道的影响问题,比常规地铁隧道施工更为复杂。文章针对深圳地铁新建9号线双线盾构隧道近距离上跨既有1号线隧道,形成双层隧道四线叠交的特殊工况,采用有限元数值模拟和现场自动化监测结合的方法,研究了盾构隧道上跨施工引起的既有线水平和竖向的变形规律,并分析了土压力对既有线变形的影响。研究结果表明:现场自动化监测结果和数值模拟结果基本一致;上跨施工时,先行隧道开挖对既有线的影响大于后行隧道;既有线竖向整体呈现上浮状态,最大累积上浮量为2.2 mm;既有线的水平偏移与盾构推进方向一致,最大水平偏移量约为1.4 mm;土压力对既有左右两线水平位移的影响大致相同,水平位移随土压力的增大而增大;土压力对既有左右两线的竖向位移影响不同,随着土压力的增加,既有线左线的上浮量逐渐减小,而既有线右线的上浮量不断增大。研究成果可为同类型地层条件下盾构隧道近距离穿越既有结构的设计与工程施工控制提供依据,具有一定的理论意义与应用价值。     

常规和广义反应位移法在浅埋双圆盾构隧道中的应用比较

文章阐述了常规反应位移法的基本原理、分析方法及其存在的问题,给出了常规反应位移法地层结构滑移和不滑移两种假定下的地层弹簧刚度取值公式,并提出了基于地层-结构模型的有限元广义反应位移法。该法的地震强制位移施加在地层左右两侧边界上,两侧边界受到水平滑移支座约束,底部基岩边界受到固定支座约束,并在结构地层界面之间引入摩擦接触单元模拟界面滑移效应。不同界面条件下,双圆盾构隧道采用常规反应位移法和有限元广义位移法的对比表明:考虑界面滑移的有限元广义位移法能更加真实地反映双圆盾构隧道的地震效应;在地震强制位移作用下,双圆盾构隧道两洞管片衬砌附加弯矩为倾斜的8字形分布,中柱附加弯矩为线性分布,反弯点出现在中柱中点附近;管片上附加轴力基本为压力,中柱附加轴力为拉力且沿高度基本不变;管片上附加剪力为正8字形分布,中柱附加剪力沿高度基本不变。     

近距离双线平行盾构施工引起的土体沉降计算

文章提出近距离双线水平平行盾构施工引起的总的土体沉降曲线符合正态分布规律,并对现有双线平行盾构施工引起的地面沉降计算方法进行了综述。针对现有各种方法存在的不足,建立了修正的二维Peck公式,可以计算双线平行盾构施工引起的深层土体沉降,同时能够考虑沉降曲线的不对称性。对计算参数取值进行研究,实测数据统计结果表明i总/i先跟h/D成明显的线性减小关系,提出了参数i总和η总的计算公式。首次提出两条隧道轴线的相对水平距离系数C=L/(h+R),认为总的地面沉降曲线形状与C值大小有关,本文公式适用于C0.6的工况。算例分析结果表明:本文方法预测值与实测值比较吻合,且计算比较简便。     

运用盾构掘进参数跟踪判断滚刀损坏的研究

目前盾构滚刀磨损的判断通常是经验性的。文章在文献[6]运用盾构掘进参数判断刀具损坏的分析计算方法基础上,进一步考虑了土舱压力的影响,对掘进速度和刀盘扭矩计算模型进行了修正;依托具体工程实例,运用修正计算模型分别对土压平衡盾构、泥水平衡盾构以及TBM等在硬岩中的掘进数据与滚刀情况进行了跟踪判别研究。结果表明,计算结果与滚刀磨损情况比较吻合,该方法对判断滚刀损坏具有可行性、参考性。