既有隧道扩挖改造的施工控制及数值模拟研究

研究目的:由于既有人防隧道的扩挖改造施工在国内鲜有实例,本文综合应用监控量测技术和有限元分析理论,模拟研究结构单双侧扩挖动态掘进各阶段的位移、变形及受力特征,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比分析,通过完善施工方案并加强施工控制,保证施工安全。研究结论:(1)单、双侧扩挖造成的地表最大沉降值、围岩结构应力等主要指标均满足规范和设计要求,表明制定的施工方案合理;(2)随着整个隧洞的扩挖,围岩结构呈拉应力减小、压应力增加的趋势,其最大拉应力在施作初期支护和临时支撑时剧减,其最大压应力在顶部结构凿除时剧增;(3)单侧扩挖每次凿除2 m既有结构,地表的最大沉降值达到15.10 mm,而双侧扩挖每次凿除1 m既有结构,地表的最大沉降值达到23.67 mm,此值非常接近设计警戒值(24 mm),施工的时候应该严格控制;(4)提出了采用临时竖撑预支加固、先侧墙后仰拱、径向注浆、管棚支护和跳槽扩挖等施工方法和措施,使既有结构内力变化在可控范围内,有效地控制了拱顶沉降、仰拱上浮和地层位移,保障了结构和施工安全;(5)通过总结既有人防隧道扩挖改造施工过程中围岩、地表、衬砌结构等的变形规律,为同类工程的设计和施工提供借鉴。     

黄土地区浅埋暗挖地铁连拱隧道合理错距研究

研究目的:以西安地铁5号线雁鸣湖停车场段暗挖双连拱隧道工程为背景,采用有限元分析方法对主洞开挖过程进行模拟,研究开挖错距(0 m、15 m、30 m、60 m)对地表变形、拱顶沉降、拱腰净空收敛及拱顶应力的影响规律,并结合现场监测数据对黄土地区浅埋暗挖地铁双连拱隧道合理错距进行研究分析。研究结论:(1)四种方案下地表沉降值最大相差仅0.5 mm且均满足规范要求,横向地表影响范围大概在连拱隧道中线两侧约3倍隧道跨径内;(2)拱顶沉降和拱顶应力变化主要集中在隧道上台阶施工阶段,当错距超过30 m后,拱顶最终沉降值及应力值基本不受错距变化的影响;(3)错步方案下先行洞拱腰净空收敛值均大于后行洞,且随着错距的增加,后行洞开挖对先行洞拱腰净空收敛的影响逐渐减小;同步开挖过程中不存在偏压问题,且拱腰净空收敛值比其他三种方案小;(4)同步开挖方案与其他错距方案相比较,未引起过大地表沉降及拱顶沉降,且拱腰净空收敛相对较小,综合考虑安全性、经济效益和施工效率等因素,在黄土地区类似工程中建议优先采用两主洞同步开挖方案;(5)本研究可为黄土地区城市地铁双连拱隧道主洞开挖施工方案优化及力学行为研究提供有益参考。     

双线隧道盾构掘进对地表沉降影响的数值分析

研究目的:在双线隧道盾构掘进过程中,先开挖隧道地层变形会对后开挖隧道地层变形产生不可忽视的影响,导致双线隧道盾构掘进完成后地表沉降存在差异性。依托天津地铁某盾构区间隧道掘进工程,基于FLAC3D软件建立隧道掘进过程的有限元模型,从隧道开挖变形、地表沉降的角度分析先挖线路对后挖线路变形特征的影响,验证双线隧道盾构施工导致地表沉降的叠加效应。为保证盾构掘进过程中地表沉降不超标,通过数值模拟分析盾构土仓压力、同步注浆量和出渣量等因素对地表最大沉降量的影响,有效指导盾构隧道施工参数的选择,最后通过现场监测数据验证数值模拟结果的正确性。研究结论:(1)前序次开挖隧道对后序次开挖隧道的隧道拱顶沉降与地表沉降均存在叠加效应影响,后序次开挖隧道的拱顶沉降及地表沉降均略大于前序次隧道的对应沉降值;(2)数值模拟结果与现场实测结果的对比显示,实测地表沉降值相比数值模拟计算值分别高出5. 78 mm、4. 97 mm,隧道的管片沉降实测值与计算值误差均在5%以内,数值模拟计算误差均处于可控范围内,一定程度上验证了数值模拟结果的正确性;(3)本研究结论在城市地铁盾构(TBM)法施工领域,对地表沉降控制方面的机理研究和实践操作有较好的应用效果。     

隧道施工地层扰动特性分析

研究目的:地铁修建过程中面临大量穿越或临近建(构)筑物的情况,为确保施工安全,应把握施工引起的地层变形规律。本文利用三维非线性有限元模型和相关解析理论,展开对隧道施工后在不同埋深和不同施工控制水平下地层变形规律的研究。研究结论:(1)隧道施工影响半径受埋深和施工控制水平的双重影响;(2)施工影响范围随拱顶沉降的增大而增大,当拱顶沉降增大到一定值后,影响半径达到最大值,此时地层发生剪切破坏;(3)在粉土和粉砂土为代表的典型复合地层中,地表沉降与拱顶沉降的关系、影响半径和拱顶沉降的关系、影响半径与地表沉降的关系分别可用考虑埋深影响的线性函数、二次函数、幂指数函数公式表示;(4)地表沉降斜率与地表最大沉降量的关系可用幂指数函数形式表示,埋深越大,地表沉降斜率越小;(5)本研究成果可应用于地铁穿越工程。     

高寒地区地铁区间扩挖改造施工技术探讨

哈尔滨地铁一段长859 m的区间线路,利用既有人防隧道单侧扩挖改造。采用荷载—结构分析法研究既有人防隧道结构破除对既有结构内力的影响,考虑冬季施工地层与结构之间的相互作用,进一步应用地层—结构分析法以研究径向注浆效果、跳槽法施工工效。最后详细介绍了既有隧道单侧扩挖改建工艺,可为类似工程提供参考。     

单边扩帮特大跨公路隧道开挖稳定性分析

通过现场试验、理论分析及数值模拟计算,对深圳横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段的围岩力学参数和动态施工力学进行研究,对扩挖修帮段进行深部位移监测得到反挖修帮造成的拱顶下沉和洞周水平收敛的实测数据,并基于神经网络BP模型反演隧道围岩力学参数.采用有限元软件对横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段建立三维有限元模型,分析隧道各开挖阶段对地表沉降的影响以及研究隧道各开挖阶段对隧道拱顶、拱脚和竖墙脚各点应力的影响.     

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。     

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。     

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。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

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。     

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。     

土压平衡盾构双孔隧道近接运营隧道施工对策研究

为确保土压平衡盾构机下穿施工既有地铁运营隧道的安全,利用三维数值有限元软件精细化建模,考虑注浆压力和掌子面压力变化的影响,多工况模拟土压平衡隧道施工获得运营隧道变形规律。通过分析土压平衡盾构机下穿施工过程中的位移响应,判定上部交叉运营地铁隧道所受影响并给出合理的注浆压力和掌子面压力参数。工程实际中利用莱卡TS30监测机器人建立了自动监测系统,对运营隧道的位移进行了监测。根据计算与监测结果得到:(1)掌子面压力越大,既有隧道沉降越小,运营隧道左线仰拱沉降最大,仰拱最大沉降范围为3.4～3.7 mm;新建隧道左线线路中线所对应的地表最大沉降范围在1.9～2.1 mm之间。(2)注浆压力越大,既有隧道沉降越小,左线拱顶最大沉降范围在2. 6～3. 6 mm;新建隧道左线线路中线所对应的地表最大沉降范围在1～2. 1 mm。(3)盾构隧道在下穿运营地铁1号线过程中,邻近运营隧道拱顶最大沉降范围在2～3.5 mm,远小于10 mm,可确保运营隧道安全。(4)采用选取的注浆压力0. 3～0. 36 MPa与土仓压力0. 1～0. 13 MPa下施工,盾构隧道穿过运营隧道后,运营隧道中股道沉降最大值为0.5 mm,轨道沉降值小于10 mm,符合要求,运营隧道安全。最后,提出了相应施工对策:在盾构下穿既有隧道施工时,应减少超挖、适当选取盾构施工参数、盾构快速通过近接区和实时监测反馈施工。     

矿山法扩挖盾构隧道断面的关键技术

因周边环境复杂,郑州市轨道交通1,2号线联络线与正线分岔区隧道施工难度很大。本文首先提出矿山法扩挖盾构隧道形成大断面隧道的施工方案,阐述了其关键技术,然后对扩挖过程进行了数值模拟分析。结果表明:在洞内径向注浆、超前管棚支护、管井降水等辅助措施下采用矿山法开挖可将成型盾构隧道扩挖成大断面隧道;扩挖中采用型钢连接措施进行新旧结构受力体系转换,可防止土体失稳,有效控制地表沉降,加快工期。本文介绍的方法为地铁分岔区隧道的建设提供了一种新思路。     

土岩复合地层隧道群洞施工力学响应研究

为探究小净距隧道群洞穿越不同地层施工引起的力学响应,基于青岛地区土岩复合地层特殊地质条件,通过数值计算并结合现场测试数据,分析小净距地铁隧道群洞施工引起的地表沉降、应力特征、拱顶变形规律。结合工程实际,将隧道群洞施工划分为4个不同阶段并依此分析,结果表明:隧道群在其阶段Ⅳ施工后引起地表沉降变形较大,其他阶段地表沉降无明显变化;不同开挖阶段对夹岩的扰动程度存在差异,阶段Ⅳ施工使夹岩主应力出现剧烈变化,且夹岩最薄弱处最不利状态发生于阶段Ⅳ,但无剪切破坏现象;隧道拱顶沉降最大增量在该条隧道开挖后出现,上线隧道施工显著影响其他隧道拱顶沉降,且能够引起中线隧道拱顶抬升。研究成果为同类工程的施工稳定性分析提供了现场指导和技术支持。     

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。     

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。     

新建电力隧道对既有地铁车站结构的沉降影响分析

某拟建电力隧道需穿越北京地铁5号线崇文门车站。为了研究隧道施工对既有崇文门车站结构所产生的影响,基于ANSYS软件建立近接隧道施工的三维数值计算模型,分析电力隧道开挖过程中地表及地铁车站结构沉降的变化情况,得到近接电力隧道施工引起的地表沉降最大值及既有地铁车站结构的最大沉降值,并确定了其最大沉降差与水平位移。研究表明:地表最大沉降满足地表沉降控制标准;电力隧道开挖时地铁结构横向及纵向沉降均在预测的沉降范围内。     

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。     

哈尔滨地铁人防改建工程施工监测技术研究

哈尔滨地铁是国内纬度最高的地铁工程,工程的部分区间是利用既有"7381"人防隧道改建而成。本文根据该人防改建工程的监测成果,分析了影响施工安全的主要因素,并用等维新息GM(1,1)模型对风险源处地表变化趋势做了较准确的短期预测。研究结果表明:冻融现象对暗挖施工区间的建筑物沉降和隧道变形基本无影响,对地表沉降有一定的影响;隧道的扩挖施工使隧道围岩在短时期内变形速率增大,但很快趋于稳定;等维新息GM(1,1)模型用较少的参数和简洁的模型可反映隧道扩挖施工引起地表沉降的趋势和规律,适宜于工程实际问题的动态分析和趋势预报。