邻近基坑卸荷-加载对既有软土盾构隧道影响分析

为了减少和避免地铁盾构隧道发生运营中断事故,提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,应用数值模拟的方法,以上海某典型工程为例,研究了软土地层中,邻近基坑卸荷-加载作用下,盾构隧道位于基坑拐角特殊位置的变形机制,并对地下连续墙支护方案的隔离效果和盾构隧道与基坑边缘净距l的影响进行了分析。研究结果表明： 1）当基坑位于盾构隧道侧方浅部时,基坑卸荷-加载诱发盾构隧道产生朝向基坑方向的位移,随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,水平位移恢复较少; 2）当盾构隧道位于基坑拐角特殊位置时,受基坑临空面范围和卸荷-加载作用共同影响,最大竖向位移出现在基坑拐角位置附近,最大水平位移出现在隧道轴线距离基坑边缘约1.5h（h为基坑深度）位置; 3）近地铁区域采用地下连续墙加固方案,可使盾构隧道水平位移减小50%,加固效果明显; 4）当盾构隧道与基坑边缘净距l大于1.5h时,邻近基坑卸荷-加载对既有盾构隧道影响较小。     

盾构施工影响下砂土地层变形规律模型试验研究

为了研究盾构施工影响下隧道埋深、地层损失率、颗粒级配对砂土地层变形规律的影响,设计由试验模型箱、隧道开挖模拟装置以及非接触试验监测系统组成的模型试验系统,利用该试验系统对10种试验工况进行研究。试验模型箱是由钢化玻璃板、底部钢板以及刚框架组合而成的开口箱体,砂性地层采用完全烘干的砂土来制作,盾构开挖过程通过一种能够精确控制地层损失率大小的小型圆筒状传动装置来模拟,试验过程中的地层变化利用视频测量系统进行监测。研究结果表明：随着隧道埋深增加,土体扰动范围逐渐向两侧扩展,地表最大沉降值逐渐减小;当隧道埋深临近土拱形成深度时,沉降槽宽度显著增加,隧道上方核心沉降区逐渐减小。地层损失率与沉降槽宽度之间存在明显的线性关系。砂土粒径越大,地表最大沉降值越小,沉降槽宽度越大;当最大粒径与最小粒径比一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着砂土粒径的增大而减小;当最大粒径一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着粒径范围的增大而增大。不同隧道埋深、地层损失率和砂土颗粒级配下的地表沉降曲线均具有类似高斯分布函数的形态特征,向隧道中线处急剧下降,向远处逐渐变缓,与地层变形规律相似。     

双线地铁隧道泥水及土压平衡盾构施工地层变形特征研究

为分析圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层变形特征，以南宁地铁3号线东葛路站-滨湖路站区间盾构施工工程为背景，采用现场监测数据分析2种盾构施工时的地表横向沉降特征和监测点纵向沉降历程特征。利用FLAC3D软件对2种盾构工法进行简化模拟，验证模拟方法的可行性； 设计双线地铁隧道分别采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构、全部采用泥水平衡盾构、全部采用土压平衡盾构3种工况的模拟方案，研究3种工况下的地层变形特征。研究结果表明： 1)双线地铁隧道采用2种类型盾构施工时，地层沉降曲线偏向土压平衡盾构施工的隧道一侧； 采用同种类型盾构施工时，地层距离隧道越近，沉降曲线呈“W”特征越明显； 2)双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时各地层沉降较大，地表横向沉降影响范围约50 m； 采用泥水平衡盾构施工时各地层沉降相对较小，地表横向沉降影响范围约30 m； 3)3种工况下，双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时引起的地表水平位移最大。     

岩溶隧道突水涌泥致灾机理研究

为防治岩溶隧道突水涌泥给隧道施工造成灾难性后果,以广佛肇高速公路罗仔山隧道为例,研究管道型岩溶隧道突水涌泥致灾机理及预测计算。通过分析发生突水涌泥的灾害特征和机理,建立相关力学模型,以研究隧道突水涌泥的极限状态。研究得出:1)隧洞发生突水涌泥时围岩最小防突厚度的界限条件;2)充填体在充填介质渗透、滑移失稳时的稳定系数K,以此来判断该处是否发生突水涌泥的情况。     

盾构隧道穿越特殊地质围岩位移向量趋势线变形响应特征

为减少由于地质因素导致的盾构施工灾害的发生，做到早发现、早预防，利用FLAC3D模拟软硬岩层、断层破碎带、岩层产状、岩溶、球状风化体等多种不良地质体对盾构隧道三维位移的影响，并借鉴国内外学者所发展的隧道三维变形展示方式来呈现隧道开挖地层的反应特性。结果表明： 1）盾构由软岩往硬岩掘进时，位移向量趋势线减小； 反之，位移向量趋势线增加。2）随着断层破碎带宽度的增加，位移向量趋势线呈现出规律性变化。3）地质界面倾斜时的位移向量角比地质界面垂直时小。4）相邻地层强度差异越大，位移向量趋势线变化越明显。5）岩溶和球状风化体的尺寸越大，位移向量趋势线变化幅度越大。     

水下盾构隧道的合理覆土厚度数值模拟分析

针对水下隧道长期赋存于富水环境中,围岩的力学性质较差,地层的成拱能力降低的特点,研究水下盾构隧道的合理覆土厚度,为设计与施工提供参考。在国内外学者研究成果的基础上,依托具体的工程实例,鉴于实际施工中盾尾管片壁后注浆对盾构隧道的动态上浮作用和对地层沉降的影响,进而确定对盾构隧道最小覆土厚度的影响,同时基于水下隧道突水风险研究,综合考虑水、土、注浆浆液的动态影响,通过对颗粒流数值模拟结果进行分析,给出水下盾构隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度临界值的判定依据和条件,采取必要的信息化施工和响应联动措施,控制水下盾构隧道浅覆土穿越水体地层变位,保证工程和环境的安全。研究结果表明:双洞隧道的地表沉降曲线基本符合Peck沉降槽理论,随着埋深的增加,地表沉降将由2个独立的沉降槽逐渐发展叠加为1个新的沉降槽;对于依托工程而言,隧道覆土厚度的临界值为1.3D;围岩的竖向位移随距隧道中心线距离的增大而减小,当距离增大到0.5D后位移变化不再显著;隧道开挖后,由于隧道顶部土体拱效应的发挥,不同埋深情况下作用在管片上的土压力将明显小于初始土压力,且压力值与埋深成正比。     

基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究

为解决土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进时螺旋输送机出口易发生喷涌的难题，依托昆明地铁4号线盾构隧道工程，开展富水砾砂地层渣土改良研究。首先通过大型渗透试验评价地层的渗透性，然后对试验段内每环的渣土进行坍落度试验，分析渣土改良对盾构掘进参数的影响，检验并评价渣土改良的实际效果，进而给出昆明地区富水砾砂地层的合理改良建议。研究结果表明： 1）昆明地区砾砂土的坍落度与含水率呈明显的正相关关系，而其渗透系数随测试时间的增加而降低，在2 h后减小为0； 2）塑流性较好的渣土对应着较低的刀盘转矩、推力和较高的掘进速度； 3）通过对掘进参数的分析可知，坍落度达到5~10 cm即可满足施工要求。     

盾构隧道穿越液化地基上浮振动台试验分析

随着城市地铁线路不断增加,可能出现盾构隧道穿越液化地层的现象。一旦发生地震,盾构隧道存在上浮破坏的潜在风险。为深入研究盾构隧道周边液化地层的动力响应,针对相同密实度砂土在3种不同峰值加速度作用下开展室内振动台试验,分析土体中超静孔压的发展特性和隧道上浮规律。结果表明： 1）砂土液化最先发生在地表及浅层土体处,随着深度增加砂土液化程度逐渐降低,即增加隧道埋深有利于降低隧道液化程度。2）模型试验揭示盾构隧道的上浮机制,即使液化地基未完全液化,当超静孔隙水压力引起的上浮力大于隧道残余上覆有效土压力与隧道重力之和时,隧道将出现上浮。设计时可从消除液化地基和增加隧道重力2个方面入手,提高盾构隧道的抗上浮能力,确保隧道结构在地震时的安全。     

盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性影响因素研究

渣土改良是确保土压平衡盾构在砂性地层中安全高效掘进的重要措施。目前盾构渣土常用的改良剂是泡沫剂,泡沫与砂性渣土混合后能有效降低刀盘扭矩、提高渣土的抗渗性。为研究盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性的影响因素,通过常水头渗透试验,从砂土级配、泡沫剂体积分数以及泡沫注入体积比3个方面分析混合物渗透系数的变化规律。结果显示： 1）混合物的渗透系数与等效粒径d20呈正相关变化; 2）随着时间的增加,混合物的渗透系数K20逐渐增加; 3）随着泡沫剂体积分数的增大,混合物的渗透系数先减小后增大; 4）当泡沫的注入体积比达到一定值时,混合物的渗透系数趋于稳定。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

隧道施工通风系统中竖井风量及影响因素分析

解决特长或单斜井多作业面隧道的施工通风问题常常需要增设通风竖井。为深入分析影响竖井通风的因素，以竖直圆管代替竖井，假设其内壁温度沿井壁线性变化，首先，推导出含内热源的竖井截面内稳态气流的平均风速表达式；然后，采用泰勒级数法得到竖井通风量的表达式。研究结果表明： 1）在隧道入口处大气压Pa5与进风竖井井口大气压Pa1的变化保持一致的情况下，两者差值不会对隧道施工通风产生影响。2）当Pa5与Pa1变化不同步时，两者差值（Pa5-Pa1）增大使得竖井进风量减小。3）位于进风竖井井底的风机所需风压随井口大气温度的升高而减小，随地层温度升高而增大。4）在环境参数与工作条件确定的情况下，可应用竖井风量表达式实现需风量定量分析。     

深埋高地应力水工隧洞地应力特征及岩爆脆性破坏深度预测研究

为解决高地应力情况下水工隧洞开挖时产生的岩爆问题,以新疆某高埋深水工隧洞为依托,并结合现场水压致裂法和钻孔套芯解除法测试获得的地应力数据。研究深埋引水隧洞区域地应力场分布规律,通过强度理论判断岩爆发生的可能性;在考虑高地应力与围岩开挖二次应力状态作用前提下,通过岩爆破坏区深度理论公式,结合现场数据计算出岩爆破坏深度。结果表明： 1）隧洞处平均初始地应力应力基本在23 MPa左右,最大水平主应力为28.6 MPa,属于高地应力隧洞; 2）三向主应力间的总体关系为σH（最大水平应力）>σZ（自重应力）>σh（最小水平应力）,属于σHZ（走滑型）初始地应力场,以水平构造应力为主导; 3）隧洞最大主应力与最小主应力之间差值较大,依据摩尔-库仑准则,表明该隧洞开挖的临空面会存在较大的剪应力,易引起隧洞发生岩爆; 4）在隧洞开挖过程中,隧洞将会发生中—强等级的岩爆,发生岩爆脆性破坏最大深度为0.68 m。     

盾构法隧道穿越活动断裂带方案探讨

为研究隧道穿越活动断裂带的合理抗错设计措施,结合胶州湾第二海底隧道采用案例调研、数值模拟等手段分析了3种不同抗错方案下隧道结构变形、接缝张开、错台形态以及钢筋应力、螺栓轴力等关键控制指标,探讨不同措施的抗错效果。研究表明： 1）3种不同抗错措施在断层错动作用下管片结构沿纵向受力变形规律相同,断层错动对隧道结构影响主要集中在破碎带上盘边界外30 m到下盘边界外30 m的范围; 2）断层错动作用下钢筋受力整体表现为“顶底部钢筋受压、两腰部钢筋受拉”状态,环宽1.5 m钢筋拉应力最大为436 MPa,3种工况下钢筋均未发生屈服; 3）环宽1.5 m管片环缝张开量为3.8 cm,比其他2种工况减小60%~70%; 4）提出了管片环宽1.5 m以及抗震设防区域为上盘左边界2D至下盘右边界2D（D为15.0 m）范围的抗错设计方案。研究成果对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案研究具有一定的参考作用。     

场地类别对装配式地铁车站结构地震响应的影响

为研究装配式地铁车站结构在不同场地条件下的地震响应,基于有限元软件,建立地层-装配式地铁车站结构三维静动力耦合非线性有限元分析模型,分析不同场地类别、不同地震动峰值加速度以及竖向地震动条件下装配式地铁车站结构的地震响应,并给出装配式地铁车站的加速度、变形、应力及塑性损伤的变化规律。分析表明： 1）场地类别由Ⅱ类变为Ⅲ类时,车站结构顶底间最大相对水平位移与接头张开角逐渐增大,且增长幅度变大,但接头张开角仍较小(<0.10°),验证了接头的稳定性和安全性; 2）在Ⅲ类场地条件下,拱腰、拱肩以及侧墙上下端附近的围护结构等位置易出现塑性损伤; 3）相比单向水平地震动,增加竖向地震动会显著增大装配式地铁车站结构的变形、应力、接头张开角及塑性损伤。总体来看,在Ⅱ类场地条件下,输入地震动峰值加速度分别为0.1g和0.2g时,结构基本处于弹性工作状态; 在Ⅲ类场地条件下,输入地震动峰值加速度为0.4g时,结构处于弹塑性工作状态且塑性区体积较大。     

浅覆土矩形顶管施工对邻近基桩的影响规律研究

为研究因顶管施工的挤土效应对邻近高架桥基桩水平变形的影响，以无锡地铁青石路段1号地铁出入口为例，采用MIDAS GTS软件模拟浅覆土条件下矩形顶管顶进施工，计算在不同的顶管顶进距离、基桩与隧道间净距，以及不同的顶管开挖面顶进压力、管节与土体间摩阻力条件下的基桩水平变形。结果表明： 1）矩形顶管顶进施工时会造成邻近基桩发生沿顶进方向和垂直顶进方向的水平变形，且以沿顶进方向的水平变形为主； 2）不同于其他矩形顶管工程，浅覆土条件下基桩受顶管施工的影响范围约为隧道外4D（D为矩形顶管长边尺寸），基桩的水平变形随着净距的减小而增大，且当净距小于2D时，其水平变形呈非线性快速增加； 3）相对于开挖面顶进压力，管节与土体之间的摩阻力对基桩的影响更大，其水平位移变化可分为线性增长和非线性增长2个阶段。     

基于围岩虚拟支护力特性的隧道塌方机制及控制研究

为研究隧道塌方事故的典型模式及其演化规律,基于塌方案例统计分析结果,阐明隧道开挖面失稳塌方和关门塌方2类安全事故的基本特性,推导隧道围岩虚拟支护力纵向分布曲线,进一步从围岩应力释放角度揭示了虚拟支护力与2类塌方事故的关系,并给出了塌方事故的控制要求。研究表明： 1）开挖面失稳塌方和关门塌方2类由围岩和结构失稳引发的隧道塌方事故在事故次数（68%）、死亡人数（53.7%）和涉险人数（68%）方面占比较大,其中关门塌方事故单次事故涉险人数最多,潜在危害最大。2）隧道开挖面处的围岩虚拟支护力随着黏聚力的减小而降低,开挖面后方2倍半径处围岩的虚拟支护力已大部分释放（＜5%pi）。3）围岩变形和虚拟支护力释放的第2阶段内,围岩变形急剧,围岩虚拟支护力急剧释放且释放量较大,此阶段是隧道塌方控制的重点。     

铁路隧道穿越瓦斯煤系地层的旋喷围桩防突工法探析

为确保铁路隧道能够快速安全地穿越瓦斯突出煤系地层，依据《铁路瓦斯隧道技术规范》的防突规定及旋喷桩工艺特点，从“堵”“排”结合的角度，提出一种旋喷围桩快速防突的新型施工方法。首先，依据防突原理，针对超前综合防突和工作面综合防突，开展了“堵”“排”结合的旋喷围桩防突工艺研究； 然后，以叙毕铁路欧家湾高瓦斯隧道防突为例，进行了旋喷围桩防突工法中关于围桩桩径与瓦斯释放孔数量的多方案设计；最后，依据施工定额，结合工程量统计数据，从施工成本和施工时间方面将旋喷围桩防突工法与传统抽排防突措施进行比较。研究结果表明： 1)封闭的高强度旋喷桩加固了防突区域轮廓周线上煤层的地质结构，隔离了围桩内外的煤体，截断了煤与瓦斯突出向围桩外扩展的途径； 2)仅对围桩内突出煤层实施地质钻钻孔和瓦斯排放，使消突范围大大减小； 3)与传统抽排消突方案相比，旋喷围桩防突工法桩内释放孔数量减少为原设计的1/5～1/3时，地质钻钻孔总工程量可减少13%～22%，施工成本按基价计仅增加1.7%～10.5%，既安全高效，又简单易行。     

基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为，揭示楔犁刀的楔犁松动机制，首先，将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质，采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度； 然后，引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态，分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况； 最后，通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力，并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法，得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力，分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力（推力和扭矩）与工程实测结果基本相符。研究结果表明： 楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩，达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。     

基于变形稳定时间统计的挤压性围岩隧道二次衬砌施作时机研究

为获取挤压性围岩隧道二次衬砌施作时间，使二次衬砌施作可操作性更强，以变形速率限值为基础，对412个挤压性围岩隧道断面变形量测数据进行拟合和统计分析，得出不同变形等级的变形稳定时间范围值和施工期分阶段二次衬砌施作时机预测方法。具体结论为： 1)提出了基于变形速率判据的变形稳定时间预测方法，通过最优指数函数曲线拟合，实现稳定阶段变形量u稳和最终稳定时间t′稳的预测； 2)通过统计分析，确定了不同变形等级、不同跨度条件下变形稳定时间t′稳范围值，用于设计阶段初步拟定二次衬砌施作时机； 3)提出了施工期二次衬砌施作时机分阶段预测方法，根据实测20、30、40 d和稳定时的相对变形，可实现分阶段预测最终变形稳定时间； 4)经实测变形数据检验，采用二次衬砌施作时机分阶段预测方法所得预测结果可被工程所接受； 5)以分阶段变形稳定时间t′稳为判别指标的挤压性围岩隧道二次衬砌施作时机预测方法，可操作性强，能避免以变形速率为判别指标时的操作困扰，可直接服务于工程实践。