盾构隧道拓建地铁车站施工力学特性分析

随着城市轨道交通的快速发展及城市环境的制约,普通暗挖法在地铁车站施工中所受的局限越来越大,结合国内外工程案例,提出双洞盾构区间隧道拓建地铁车站的方案,可为以后利用盾构隧道扩挖车站或在盾构区间内增设车站提供借鉴。采用数值模拟对既有盾构隧道拓建地铁车站的方案进行分析,重点研究拓建施工过程中既有盾构隧道的位移和应力变化规律:盾构最大主应力沿整个隧道纵向呈"W"型分布,且土体开挖对纵向一定范围内的最大主应力影响较大,而对范围外的最大主应力影响较小,该影响范围的纵向长度是固定的,为19.5 m。前3次土体开挖对盾构隧道的最大、最小主应力影响较大,而剩余部分土体开挖对盾构隧道的最大、最小主应力影响较小。研究结果表明:利用盾构区间隧道拓建地铁车站的方案是可行的,且由于国内盾构6 m直径较为普遍,施工经验也较丰富,因此有较大推广价值。     

基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析

针对矩形基坑开挖对下卧隧道变形影响这类课题,基于Mindlin经典解,考虑了坑底残余应力及围护桩效应的影响,推导了基坑开挖卸荷作用在隧道处附加应力的计算公式.对于埋深超过1.5倍隧道外径的盾构隧道,通过在Pasternak模型上部增加一层弹簧层来考虑上覆土层对隧道的约束作用,建立起地基梁的挠度微分方程.采用有限差分的方法把隧道离散为独立的节点单元,从而求解出隧道纵向的竖向位移和水平位移,最后与有限元数值模拟、工程实测得到的隧道变形数据对比分析.研究表明:在考虑深埋盾构隧道与土体的相互作用时,相对于Pasternak模型方法,笔者方法更能反映两者之间真实的力学行为,得到的解析解更接近于数值解,与实测值吻合度也较高,证明了方法的合理性和优越性;另外,笔者方法省去了大量的建模工作,在设计方案时能够用于初步评估基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形的影响.     

基坑开挖对下卧隧道变形及参数影响分析

基坑开挖会对下卧隧道产生影响,研究其影响规律可为保护下卧隧道提供参考。采用数值手段对某地区隧道上方基坑开挖进行了研究,重点研究了基坑开挖对隧道影响,并对相关参数变化影响进行了分析,主要结论如下:基坑开挖之后,隧道会发生整体的隆起,其中基坑正中心隧道顶部的隆起最大;将数值模拟得到的数据和实测数据进行对比,验证了模型的合理性及可靠性;基坑开挖诱发土体出现卸荷效应,从而引起隧道向上隆起,且随着基坑开挖深度的增大,隧道竖向位移增大;随着隧道中心与基坑底部距离的增大,基坑开挖卸荷效应对隧道产生的影响将逐渐减小,从而使得隧道竖向位移逐渐减小。     

基坑开挖土体位移变化实测与数值模拟分析

西安市南门广场市政下穿隧道基坑工程是南门区域段综合提升改造项目的一部分,基坑东侧毗邻西安城墙,西侧紧临地铁２ 号线永宁门站开挖工程点。通过分析监测结果得出结论:基坑开挖过程中东侧城墙面向基坑倾斜,西侧地铁车站背向基坑倾斜。运用MIDAS GTS软件进行数值模拟,分析基坑开挖过程中东西两侧土体位移场变化的差异。差异对比分析结果表明,东侧地面城墙的存在增加了地面超载,下部土体位移由坑周逐次向外传递,位移场变化正常,使城墙面向基坑倾斜;西侧地下地铁车站的存在阻断了该部土体的位移传递路径,土体位移发生突变,使基坑支护结构变形减轻,地铁车站背向基坑倾斜。     

地铁深基坑开挖对邻近管线变形影响研究

地铁基坑开挖引发周围土体与建筑物的内力与位移变化,周围管线受到空间效应影响,其内力与变形呈现一定规律。本文通过三维有限元方法研究某地铁基坑开挖引发邻近管线位移与内力的变化,结果表明,开挖对管线水平与竖向位移的影响在1倍基坑深度范围内明显,在基坑坑角附近区域出现管线轴向与截面转角位移的危险截面,在基坑范围管线应力波动较大且在坑角区域增加最大。结果对管线保护能提供一定指导作用。     

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。     

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.     

城市下穿隧道深基坑稳定性研究

以城市下穿隧道深基坑为研究对象,运用FLAC3D软件对基坑开挖和支护结构与周围土体的共同作用进行数值模拟试验,研究了基坑围护结构和内外土体的受力变形特征。研究结果表明:基坑外地表最大沉降量发生在距离基坑一定距离处,且随开挖深度的增加最大沉降位置远离基坑处,沉降量明显加大;基坑开挖期间地下连续墙竖向位移变化不大,主要为侧向变形;坑底土体的隆起值随开挖深度的增加呈非线性增长,但回弹增量有减小的趋势;随着开挖深度的增加,在靠近基坑越近的地方深部土体水平位移越大。     

盾构下穿对基坑稳定性影响的数值模拟分析

地铁施工过程中盾构下穿上部已支护的基坑,将会对其支护结构及周边土体产生影响作用,因此有必要在盾构下穿前采用数值模拟的方法进行基坑稳定性分析。采用FLAC~(3D)软件模拟盾构下穿基坑后,青岛滨海软土区土体和地下连续墙的受力和变形情况,分析不同的下穿深度对基坑的底板沉降造成的影响。研究表明,盾构下穿基坑后底板附近的横向位移较大并成一定角度斜向上对称扩展至地表面,这些部位施工时应注意加固。在一定范围内,基坑底板的沉降量随着盾构形心与地表之间的竖向距离的增大而减小。本项研究成果可以为盾构下穿基坑时土体和支护结构的变形控制以及选择盾构下穿的深度提供一定依据。     

成都地铁4号线下穿铁路桥三维数值模拟分析

成都地铁4号线二期工程万年场站~东三环站区间为双线盾构隧道,区间盾构隧道下穿包括无砟轨道、有砟轨道及桩基础形式铁路桥的铁路群。以数值模拟为手段,采用Flac3D软件,建立盾构下穿铁路桥的三维有限差分模型,对盾构掘进中造成的地表沉降、周围土体变形及铁路桥墩的沉降变化进行了分析,评价了上部铁路桥的安全性,并提出了相应的安全控制措施。基于土体加固措施,对加固与不加固工况进行了对比分析。结果表明:铁路桥与盾构隧道间土体加固后,桩基最大水平位移和竖向沉降分别减少了58%和79%,桥墩沉降满足安全控制标准,盾构施工对铁路桥运营的影响在安全范围内。     

邻近既有盾构隧道基坑工程施工安全影响评估

拟建设基坑工程开挖深度为5.8m,北侧围护结构紧邻盾构隧道,基于该基坑的施工过程,通过基坑工程支护结构稳定性计算,并采用FLAC 3D软件进行数值模拟,评估该项目基坑工程施工对扬州瘦西湖隧道主体结构安全性的影响。结果表明,进行第二层基坑开挖时,隧道总体变形量十分接近预警值,位移最大位置出现在隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近,施工时应该对此处采取一定保护措施。研究结果可为类似项目工程安全评估提供有效的参考依据。     

市政隧道基坑支护体系及开挖方案优化研究

市政隧道深基坑开挖工程是市政建设的重要工程课题之一,开展深基坑支护结构的力学分析及优化设计研究具有重要的工程应用价值。依托南通啬园路隧道深基坑开挖工程,采用数值仿真技术对该市政隧道深基坑的变形规律进行研究。利用MIDAS GTS软件建立结构的三维有限元模型,模拟基坑开挖过程,获得支护结构位移和周围地层沉降位移等基坑变形数据以及钢支撑轴力特性,确认支护结构的安全性和稳定性。鉴于项目工期紧、施工工序复杂等施工难题,提出免去钢支撑斜撑并抬高第一道钢管支撑标高以加快工程进度的优化施工方案。通过对比有无斜撑的２种方案下支护结构的位移和应力,验证优化施工方案的有效性和可行性。根据数值分析,确定第一道钢管支撑的合理标高,所提出的优化施工方案可加快工期并降低工程造价,为同类深基坑开挖工程提供参考。     

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。     

盾构施工隧道侧穿桩基侧摩阻影响研究

盾构开挖侧穿桩基对既有桥梁会产生扰动影响。利用有限元软件MIIDAS-GTS,采用对隧道洞分步开挖过程的方法模拟杭州市地铁5号线盾构施工,通过模型研究盾构施工过程中桩土界面相对位移,以此利用侧摩阻力来表示相对位移产生的影响。在地铁盾构隧道施工中,桩土相对位移最大值均发生在靠近桩顶附近,最大值7.3mm。桩基侧摩阻力在桩长范围内呈现负摩阻力,土体沉降均大于桩基沉降。黏质黏土和淤泥质黏土的土层交界处产生最大负摩阻力,计算结果有助于评价桩身稳定安全性。     

不同开挖方案下隧道围岩稳定性及变性特征分析

不同的开挖进尺会引起隧道相应的围岩位移变化,围岩位移超过容许值将会影响隧道的安全性。以长茂山双车道浅埋隧道为例,采用有限元软件ABAQUS对台阶法不同开挖进尺条件下的隧道施工进行三维数值模拟,从位移及应力两方面来分析台阶法不同开挖进尺的围岩变化规律。研究表明:围岩位移变化主要在拱顶及拱顶附近且侧拱两侧位移曲线呈对称分布;围岩的最大位移变形量随开挖循环进尺增大而相应增大,当开挖进尺增大到6 m后,围岩发生最大位移增长滞缓;围岩竖向位移和拱顶应力随开挖进尺变化的规律可以采用Logistic增长函数进行拟合;提出了循环开挖进尺为4 m的合理施工方法。     

不同开挖方案下浅埋分岔隧道施工数值模拟

为进一步分析分岔隧道在不同开挖方案下的结构稳定性和优化开挖过程,以某正在施工浅埋分岔隧道工程为背景,采用有限差分法,对分岔隧道中的不同开挖方案施工进行了数值模拟,对比了分岔隧道在不同开挖方案施工时的位移、应力及塑性区差异,对分岔隧道开挖方案进行了优化。研究结果表明:本工程3种组合开挖方案均能保证分岔隧道的结构稳定,三导洞法中核心土的作用不是特别明显,中导洞法的施工位移和应力比三导洞法的均有所增大,但仍在规范允许范围以内。本工程施工宜采用中导洞法。     

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.     

基坑施工对临近隧道的影响分析

以邻近区间隧道的某基坑工程为例,利用MADIS有限元软件分别对基坑降水、基坑开挖等工况对相邻地铁结构的影响进行深入分析。研究显示：(1)基坑降水工况下,隧道水平位移明显小于竖向位移。(2)在基坑下部开挖与基坑上部开挖深度基本相同的情况下,下部开挖引起的相邻隧道变形明显大于上部开挖。(3)从隧道变形量值上来看,开挖至基底引起隧道水平位移明显大于竖向位移。(4)受力分析表明隧道配筋满足要求。数值模拟结果与实际监测结果基本吻合,可为类似邻近地铁结构的工程建设提供一定借鉴。     

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。     

三洞并行盾构隧道开挖引起的地表沉降研究

针对三洞隧道开挖引起的地表沉降规律，以南通轨道交通1号线孩-环区间盾构隧道工程为依托工程，采用现场数据监测、理论分析和数值模拟，研究了三洞并行盾构隧道施工对地表沉降规律的影响。研究结果表明：提出一种计算三洞并行隧道开挖地表沉降曲线的“三阶段分析法”，综合比较“三阶段分析法”得到的沉降预测曲线、现场沉降实测数据的拟合曲线及数值模拟的沉降计算曲线可知，提出的“三阶段分析法”和数值模拟方法均能较好地反映三洞并行盾构隧道的真实施工情况。