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.     

锚杆支护对土质隧道围岩位移影响的数值分析

采用离散元法模拟了锚杆支护对土质隧道围岩位移的影响，分析了锚杆不同长度、不同间距时隧道上方围岩竖向位移的变化情况。结果表明：固定锚杆间距，锚杆越长在其加固范围内的隧道上方围岩竖向位移越小，但其加固范围以外的隧道上方围岩竖向位移反而略有增大；固定锚杆长度，随其间距的增大隧道上方围岩竖向位移始终有增大的趋势，且拱顶围岩竖向位移大体呈对数曲线增大的趋势；锚杆最优间距随其总长度的增加而减小。     

超长密集群桩对邻近隧道影响的数值分析

采用FLAC^3D程序建立数值模型,针对高层建筑物群桩基础不同工况,对邻近已有隧道的影响问题进行了探讨．分析结果表明：群桩与隧道的净距离对隧道沉降有较大影响,工程中布置群桩基础应尽可能远离隧道;随着桩间距的增加,桩基对于邻近隧道的影响逐渐减小,且垂直于隧道轴线方向的桩间距的变化对于邻近隧道沉降的影响效果更为明显．因此,在实际工程的群桩桩位布置过程中,应尽可能考虑增加群桩重心与隧道之间的净距,以减小桩基沉降对隧道的影响;另外,增加桩长对降低隧道受到的影响较为明显,但减小沉降的效益随着桩长增加而降低,需要选择合理的桩长来控制建筑成本以及对邻近隧道的影响．研究结论为制定保护地铁隧道的相应措施提供理论依据．     

结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究

深埋互层隧道极易发生大变形,严重危害隧道施工安全。以中兰客专尖山隧道为依托,对不同结构面产状、不同角度和长度的锚杆等工况进行数值分析,结果表明：层理面倾角对隧道周边位移影响较大,且当层理倾角与地应力方向呈一定角度时,支护结构受明显偏压作用;隧道轴向与层理面的夹角对隧道开挖轮廓附近围岩水平变形影响显著。在系统锚杆支护的基础上进行锚杆布置角度和长度的优化,并对其支护效果进行评价。现场采取优化锚杆角度和长度技术措施后,深埋互层段隧道稳定性和变形控制效果良好。     

土工格栅处治填挖交界路基数值模拟与现场试验

考虑地基与路基的压缩变形与填挖交界处的相互作用,应用分析软件ANSYS建立了路基变形有限元模型,模拟了格栅竖向间距与挖方段铺设长度对土工格栅加筋纵向处治填挖交界路基的影响规律,并通过现场修筑不同方案的试验路段和沉降跟踪观测,研究了土工格栅铺设层数对填挖交界路基差异沉降的影响。分析结果表明:土工格栅的竖向铺设间距在0·8~1·0m时,路基不均匀沉降较小,路面产生竖向位移的变化较缓慢,建议土工格栅铺设的竖向间距以不大于1·0m为宜;改变锚固端格栅铺设长度对路面竖向沉降的影响很小,从经济角度考虑,挖方段土工格栅的最小锚固长度选取2m;在路基96区和94区底各铺设一层土工格栅可以有效降低路基差异沉降。     

青岛上软下硬复合地层隧道开挖变形规律研究

如何控制隧道变形和地表沉降是隧道安全施工的重要问题。青岛地铁四号线静沙区间位于上软下硬的复合地层,以此隧道开挖工程为背景,总结岩土体变形的因素,通过有限元模拟软件建立隧道开挖的三维数值模型,对隧道洞身处于不同的地层开挖造成的围岩变形和地表沉降进行分析,结果表明,隧道穿越的土层类型由较坚硬岩变为全坚硬岩时,围岩稳定性逐渐变好,隧道开挖对土层的扰动减小,致使地表沉降逐渐减小并趋于稳定。     

核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响

针对黄土地区山岭双线隧道软弱围岩稳定性较差的问题,通过三维有限元方法系统地分析了台阶长度及核心土长度、宽度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区纵向深度和横向大小的影响.得出一些对黄土地区软弱围岩山岭双线隧道具有实际指导意义的结论.     

大直径泥水盾构施工引起的地表沉降规律研究

对大直径泥水平衡盾构在砂卵石地层、软土地层中施工引起的地表沉降进行分析研究。通过对隧道横向沉降影响区、纵向沉降、不同时段沉降等的分析研究,得出大直径泥水盾构在砂卵石地层、软土地层中施工引起的地表沉降规律。卵石层中、软土层中,大直径泥水盾构施工引起的地表沉降在横断面方向基本上均呈正态分布,但砂卵石地层中的主沉降区范围较软土地层中的要小,且沉降值较软土中的也小;在盾构通过、盾尾通过两阶段地表沉降量比较大,软土地层中工后沉降较明显。     

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%.      

地铁隧道近距离穿越对上部框架结构的影响

利用有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型,通过变化上部框架结构的层数,柱距,独立基础的埋深,隧道的位置等因素研究隧道开挖对上部框架结构的影响．当隧道中心线与框架结构的纵向柱列平行时,本文研究的所有工况的纵向柱列的相邻柱沉降差及整体倾斜比较接近,即上述因素对纵向柱列的影响很小,但对横向柱列的影响不能忽略;当上部框架结构为一层时,白重引起的沉降不满足规范要求;纵向柱列各柱底沿坐标轴2方向的最大位移均超过了层问侧移限值;柱底水平位移会改变柱的受力状态,使一层柱底产生向着隧道中心线方向的弯曲变形,角柱呈双向弯曲变形;沿坐标轴1、2方向相邻柱的最大位移差通常使基础梁被拉长或压短,在基础梁内产生轴向拉力或压力,从而改变基础梁的受力状态;隧道开挖使柱底沿坐标轴2方向往复运动,柱底发生剪切破坏;增加结构空间刚度对横向柱列的影响明显,而对纵向柱列的影响很小;隧道开挖使一层柱顶外侧的拉应力进一步增加,角柱拉应力增加量最大．     

撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓失效及参数分析

为了研究高速列车脱轨撞击盾构隧道时接头螺栓参数对螺栓失效和管片的影响. 基于ABAQUS有限元软件,建立了盾构隧道管片衬砌分块拼装式模型,利用时速200 km/h列车12.5° 斜向撞击荷载曲线,通过设置接触面单元和具有抗拉、抗剪、抗弯3种刚度组合的连接单元,近似模拟了盾构隧道接缝混凝土接触效应和螺栓连接效应,开展了不同螺栓直径和不同螺栓强度级别下管片接头螺栓的失效研究. 研究结果表明:在列车撞击荷载作用下,接头螺栓主要发生拉伸失效和剪切失效两种失效状态,失效后螺栓拉力和剪力降低为0,并且螺栓失效一般是相对列车行进方向相继出现的;拉伸失效通常出现在被撞块后端纵向螺栓,而被撞块环向螺栓和前端纵向螺栓一般发生剪切失效;各螺栓发生失效的时间随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓直径的增大有所延后;不同螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在6 cm左右,提高接头螺栓的强度级别和增大螺栓直径,将减小被撞块管片最终位移较大值区域面积以及最终位移极大值的数值,但管片最终位移极大值数值的减幅在10%以内,说明改变螺栓参数无法明显减小管片最终位移.      

复合成层地层浅埋隧道开挖地表沉降规律分析

为探究本构模型对浅埋隧道开挖诱发地表沉降规律的影响，考虑摩擦性与临界状态土体本构模型，对复合成层地层浅埋隧道开挖诱发的地表沉降槽进行了分析. 首先，基于PlAXIS 3D有限元平台建立砂-黏复合地层浅埋隧道数值模型，材料模型选用3类本构模型（莫尔库伦（MC）、修正剑桥（MCC）、硬化小应变（HSS））及其组合模型；其次，利用参数等值转换关系，深入探讨了本构模型的选取对隧道开挖地表沉降槽宽度与深度的影响；最后，结合经验公式计算并对比分析，研究基于3类本构模型及其组合模型的沉降槽数值模拟与经验计算结果存在差异的原因. 结果表明:上、下地层均采用HSS模型时，最大沉降量及沉降槽宽度与经验公式的计算结果吻合度较高，最大沉降量相差不超过7.3 mm；上、下地层均采用MC模型时，出现地表隆起的不合理现象；下卧地层采用MCC模型、上伏地层分别采用MC模型和HSS模型，即采用MC -MCC模型和HSS -MCC模型时，其数值预测的最大沉降量高于经验公式计算值，达24.8 mm，而沉降槽形状相对于经验公式预测结果“窄而陡”；在针对HSS模型的参数敏感性分析中发现，若卸载再加载模量与初始剪切模量变化值为5%，将导致地表最大沉降量分别改变1.5%和1.0%.      

基于三维非连续几何模型的盾构施工模拟

以苏州地铁一号线工程为研究背景,建立考虑管片分块、连接螺栓及施工过程各因素的三维非连续几何模型,对盾构法施工过程进行仿真模拟.论述了盾构开挖系统模型的几何非线性方程组的推导过程,盾构顶进推力及注浆材料性质的计算方法.模拟计算结果显示：盾构管片内外侧表面大部分区域处于受压状态,拱顶与拱底部位及靠近连接螺栓的部分区域处于受拉状态;受盾构顶推力作用,盾构开挖面前方土体有一个典型的隆起区域,地表最大隆起值为2.5 mm,出现在盾构开挖面前方8.5 m处;盾构开挖面后方土体沿隧道纵向的沉降受注浆材料影响随时间变化,并逐渐趋于稳定;在盾构法施工中,各管片连接处的土体受施工影响明显,土体塑性区范围较大.     

车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制. 分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.       

基于荷载传递法的锚杆锚固段荷载变形分析

基于荷载传递法,推导了锚固段的荷载传递基本微分方程;结合Kelvin问题的位移解,得到锚固段的应力分布的解析表达式,认为锚杆体的直径、外荷载及锚杆体弹性模量与岩体剪切模量的比值等因素影响着锚固段的应力水平。计算结果表明:锚杆体直径增加到一定程度会使锚杆所受的最大剪应力快速增加;在较高的初始力条件下,锚固段前端应力集中现象明显;较小的锚杆体弹性模量与岩体剪切模量比值有利于锚固段应力的均匀分布。     

软弱围岩小净距公路隧道施工技术分析研究

通过对各工法的优缺点及适用性的比较,给出了道冠山隧道小净距段所用工法及其具体施工工艺,及各开挖步对应掌子面间的距离控制要求,并在对超前小导管注浆、预应力对拉锚杆、局部加长系统锚杆等小净距隧道中间岩柱常用加固方法进行比选,以确定道冠山隧道小净距段中间岩柱的加固方案。     

Back-analysis of the response of shield tunneling by 3D finite element method

This paper presents a numerical back-analysis of the response of a shield tunnel during construction. An important issue in the construction of shallow tunnels, especially in soft ground conditions, is the surface settlement caused by shield tunneling. The tunnel test system with 10 m length, 7 m width and 6.7 m height, which was completed in China in 2009, is a research shield tunnel system. Using shield tunneling technique known as earth pressure balance (EPB) and slurry shield method, it could be excavated in a region consisting of original soft soils, such as silty clay, and different types of underlain soft soils. Based on the test results, the real-life tunnel response can be analyzed by back-analysis technique. The back-analysis technique is adapted to the three-dimensional finite element method (FEM). Parameter analyses are calibrated to study the behavior of the multi-scale diameter tunnel under various conditions. The suggested multi-scale model results show a well agreement between the prediction and the measurement.     

隧道扩建对地面建筑物的影响分析

采用有限元计算软件MIDAS_GTS对隧道扩建对地面建筑物沉降进行数值模拟,并结合施工监测数据,分析地面建筑物在离隧道轴线不同位置时,隧道扩建对建筑物沉降的影响以及建筑物是否安全;判断隧道开挖对地面建筑物的影响半径.     

水平岩层公路隧道监控量测分析

公路隧道施工过程中遇到水平产状的岩层时处理不当极易出现围岩失稳、坍塌等事故,这些事故将对隧道施工人员、设备安全造成不利影响。以石塘隧道为工程背景,分析该隧道地表沉降、拱顶下沉及周边收敛、围岩内部位移、锚杆轴力、围岩与初期支护间压力监控量测结果,研究其变化规律。研究结果用以指导该隧道后续施工和设计方案优化,并可为类似水平岩层隧道设计、施工及监测提供借鉴。     

盾构施工穿越PBA工法车站站台层的数值模拟研究

以北京地铁马连洼车站为工程背景,采用ANSYS软件模拟盾构穿越PBA工法车站的施工过程,通过数值计算结果分析,研究盾构施工隧道穿越PBA车站时地表沉降、车站结构应力变化规律,可得下列结论：盾构在扣拱后的导洞下部掘进时对地表的沉降影响很小;盾构隧道掘进对上部导洞初支结构内力影响非常小;站厅层施工对盾构施工隧道影响较小,后续施工对管片轴力的影响要大于对管片弯矩的影响.计算结果表明：在条件受限时,采用先隧后站的施工方法既可以缩短工期,同时也能保证结构的安全.