厦门地铁上软下硬地层盾构施工引起的地表沉降研究

针对厦门地铁1号线莲坂站~莲花路口站盾构区间隧道工程,通过现场监测和数值模拟,研究在上软下硬地层中过渡区盾构法隧道施工对地表沉降变形规律的影响。研究结果表明:上软下硬地层地表横向沉降受硬层比的影响比较明显,基本上表现为随硬层比增大,地表沉降量整体减小且沉降槽变浅的趋势。其中隧道轴线正上方以及轴线附近监测点的沉降量受硬层比的影响相对于远离隧道轴线的监测点要大;上软下硬地层地表纵向沉降受硬层比的影响主要表现在地表纵向沉降量及开始和结束的位置变化上,随着硬层比的变大,盾构施工对地表纵向沉降量及其影响范围都在缩小;通过研究隧道轴线正上方监测点地表最终沉降值与硬层比的关系,建议将硬层比15%~85%视为开展上软下硬地层地表变形研究的阈值。     

硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究

研究目的:在实际地质环境中,隧道开挖所表现出来的各种变形破坏都是各种因素综合影响的产物。但顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁宝云隧道为例,就硬-软互层顺层构造作用下隧道围岩开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层厚度影响下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬-软互层组合隧道的变形破坏模式。研究结论:(1)薄层弯曲变形是不同岩层厚度构造作用下硬-软互层顺层隧道开挖的主要变形形式,厚层围岩虽体现出了较明显的滑移,但变形量值较小,隧道支护设计时应考虑岩层厚度控制的该变形特点;(2)硬软互层组合屈服区主要沿顺层面向软岩展布,层厚越小,屈服范围越大,以0.2 m层厚顺层向屈服区为典型,层厚超过0.4 m后,拱腰顺层面屈服区迅速减小,且随厚度增大,两个方向屈服区不断减小;(3)强度折减条件下,层厚超过1.5 m后,稳定安全系数趋于定值,围岩强度主要受软岩自身控制,受硬-软组合结构影响程度降低;(4)岩层厚度较小时,隧道围岩变形模式以岩层弯曲为主,随岩层厚度的不断增大,变形模式逐渐转变为顺层滑移为主、滑移与弯曲并存;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设具有理论意义和工程价值。     

盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析

上软下硬复合地层在盾构施工中常常造成盾构掘进姿态不佳及地表塌陷,严重时还可能导致管片局部出现破损。结合深圳地铁7号线穿越上软下硬地层的工程实例,采用数值模拟方法研究盾构隧道穿越上软下硬地层段("由软入硬"与"由硬入软")的施工力学特性,对地表及管片拱顶沉降、管片应力的变化规律进行分析,研究结果表明:盾构在穿越上软下硬交界地层过程中,地表沉降出现显著增大(增量最大可达1 cm),拱顶不均匀沉降的现象较为严重;对较软侧地层进行适当加固,可以有效减小上软下硬地层交界处的地表及管片拱顶沉降,同时能够降低"由软入硬"段管片的应力水平。     

低岩跨比软岩地铁隧道上覆管线变形规律

为科学预测低岩跨比条件下软岩地铁隧道开挖后上覆岩土层及其管线的变形规律，针对隧道上覆岩层与土层客观移动规律的差异，考虑开挖时隧道围岩的施工扰动，构建低岩跨比隧道上覆岩土层的“类双曲”移动模型，据此提出地表沉降槽宽度的计算式，并基于Hoek-Brown强度准则给出隧道上覆地层损失率的确定方法，在此基础上运用弹性地基梁理论分析隧道上覆管线的变形规律。以南宁某上覆排水管、天然气管和给水管3种不同材质管线的地铁区间隧道工程为例进行验证。结果表明：地表沉降槽宽度随上覆岩层厚度增加而减小，随上覆土层厚度增加而增大；管线竖向挠曲位移、转角、弯矩及剪力与扰动程度正相关；管线转角、弯矩及剪力随其埋深和管隧夹角增加而增大，但竖向挠曲位移却随管隧夹角增加而减小；各管线沉降区域均主要集中于距隧道中轴线12 m范围内，竖向挠曲位移理论计算与现场监测结果误差均小于10%，且对天然气管和给水管的预测精度更高。     

上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路施工方法研究

石头岗隧道下穿衡昆高速公路,洞身上部为膨胀土,下部为灰岩,呈上软下硬特点,不仅施工风险大,且施工困难.为此采用数值分析手段对上软下硬地层隧道下穿高速公路施工方法进行研究.研究结果表明:上软下硬地层隧道采用上部中隔墙法施工,在降低施工风险、保证施工安全的同时,能加快施工进度,可供类似工程借鉴.     

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。     

基于熵权模糊理论的上软下硬地层隧道施工风险评价

上软下硬复合地层隧道施工安全所面临的影响风险因素复杂繁多,具有模糊性和不确定性,使隧道施工安全得不到保证.结合现有工程实际,在影响上软下硬复合地层隧道施工安全的众多影响因素中,分层次地进行详细剖析,建立上软下硬复合地层隧道施工安全风险评价体系.用熵值赋权法计算确定各层次风险因素的影响权重,运用多级模糊评价理论对各影响因素进行逐级逐层综合评价,直至得出对上软下硬复合地层隧道施工的风险评级,计算结果符合工程实际,对类似隧道工程施工具有指导意义.     

不同岩层倾角深埋硬岩隧道围岩开挖变形研究

研究目的:深埋硬岩顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁黄草隧道为例,就深埋隧道顺层硬岩组合围岩在不同岩层倾角下的开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层倾角下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬岩组合隧道围岩的变形破坏模式。研究结论:(1)随着岩层倾角的增大,顺层硬岩组合隧道主变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层滑移变形转变,倾角增大至一定程度时( 75°),垂直层面局部位移相对较大,在滑移变形为主的基础上弯曲变形程度加大;(2)硬岩组合的开挖引起洞室周边一定范围内的围岩发生屈服,岩层倾角变化导致围岩屈服区范围大小发生改变,倾角为30°时屈服范围最大,以此为界减小或增大倾角,屈服区均表现为不同程度的减小趋势;(3)岩层倾角存在界限值,硬岩组合黄草隧道为40°,小于或大于该值稳定安全系数均减小,10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达17%;(4)强度折减条件下,围岩破坏模式略有变化,表现为:倾角≤30°时,垂直于层面方向的位移量和破坏范围大,围岩以层裂(弯曲折断)破坏模式为主;当倾角 60°时,顺层面方向破裂范围大,但垂直层面破坏优先启动;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设和今后类似工程的建设有着理论指导意义和工程价值。     

上软下硬地层中盾构施工对地表沉降影响分析及施工控制技术

针对盾构穿越上软下硬复合地层(软土层与岩层复合地层)地表沉降难以控制的问题,以福州地铁4号线工程为依托,通过理论分析加实践验证的方法研究了盾构在上软下硬地层中掘进时,土仓压力、掘进速度、顶推力和扭矩等典型施工参数对地表沉降的影响.结果表明:盾构穿越上软下硬地层的地表沉降中,瞬时沉降占总沉降比重较高,沉降控制更应着重于瞬...     

盾构隧道衬砌结构计算模型探讨

研究目的:目前被工程界广泛采用的隧道拱底为压缩弹簧形式的衬砌结构计算模型,缺少相应的理论支撑,得到隧道拱底处相对较小的衬砌内力,以及隧道拱底的沉降变形趋势,与实际情况不符,且可能导致拱底处衬砌结构安全系数偏低。为了进一步加强衬砌结构设计的准确性与可靠性,对不同的衬砌结构计算模型展开对比分析,指出该模型被广泛采用的根本原因,并提出合理的计算模型。研究结论:(1)隧道拱底的地基反力形式与拱底位移趋势密切相关,当拱底呈隆起变形时,地基反力仅由反作用力组成,当拱底呈压缩变形时,地基反力由反作用力与地基压缩抗力两部分组成;(2)对于盾构法隧道,应采用拱底为反作用力形式的衬砌结构计算模型,该模型能准确地反映衬砌的受力特点与位移趋势,可以有效克服隧道拱底处安全系数不足的隐患;(3)提出了基于拱底地层位移趋势的拱底作用力形式以及相应的荷载-结构计算模型;(4)研究成果可用于盾构法隧道、矿山法隧道、明挖或暗挖的地铁车站等地下工程。     

复杂条件下超大跨地铁车站施工仿真技术研究

研究目的：研究复杂条件下超大跨浅埋暗挖地铁车站施工时,不同施工工序下开挖引起的地层扰动对地表沉降及拱顶下沉的影响规律。研究方法：以某超大跨浅埋暗挖地铁车站作为工程背景,利用ANSYS有限元软件作为开发平台,以浅埋暗挖隧道开挖支护理论为基础,采用平面应变模式,对双层两柱暗挖结构的三跨连拱隧道开挖支护全过程进行非线性仿真研究。研究结果：仿真计算结果与现场监测数据基本吻合,可以指导该类型隧道施工的地层沉降仿真研究、施工作业及信息化施工。研究结论：地表沉降影响范围约3倍洞径,最大沉降量为20.75 mm,拱顶最大下沉量为29.93 mm;超大跨隧道分部开挖“群洞效应”明显,在“上软下硬”围岩地层中,地层变形控制的关键工序是上部软岩断面的开挖支护,下部断面要减少爆破振动对地层变形的影响;大跨隧道开挖支护中,不同分部开挖引起的沉降量及沉降槽宽度是不同的。     

复合地层盾构穿越机场诱发地层沉降计算及控制研究

依托南京轨道交通盾构施工穿越禄口机场段工程,针对上软下硬复合地层盾构施工诱发地层沉降及控制技术进行研究,建立穿越机场前试验段地层沉降初步预测的数值计算模型,通过现场监测数据进行模型参数调整,用于穿越机场时地层沉降的地表沉降的计算;并提出适用于上软下硬复合地层穿越重要建（构）筑物区间的施工控制技术。研究结果表明：隧道横向不均匀沉降影响范围在隧道两侧1．5D范围内;采用“欠土压推进”的模式,穿越重要构筑物区间时地面沉降可控制在允许的范围内。     

地层空洞影响下地铁盾构隧道衬砌结构响应试验研究

为探究盾构隧道管片背后空洞对隧道结构的影响,采用模型试验手段,考虑空洞形成过程,分别就无空洞,拱顶、拱腰、拱底背后空洞4种工况下衬砌结构变形、受力、与地层接触压力的响应规律进行研究.研究结果表明:无空洞时,衬砌受到均匀的地层压力,同时地层也提供给衬砌充足的地层反力,管片内力呈"对称式"分布.有空洞时,空洞的存在改变了衬...     

倾角对土砂互层地层围岩稳定性的影响探究

研究目的:全风化红砂岩和砂质黄土互层地层在我国有较广泛的分布,其敏感脆弱的工程地质特性严重影响隧道工程建设。本文以蒙华铁路阳城隧道为依托工程进行拓展性研究,采用室内试验、数值模拟、现场监测等多种方式深入探讨岩层倾角对土砂互层地层隧道围岩稳定性的影响。研究结论:(1)随着岩层倾角增大,拱顶及左、右拱腰位移呈现互异的变化规律,且具有不同的变形机理;对于拱顶而言,45°为破坏模式转换临界,位移取得最小值43. 7 mm;根据左、右拱腰变形差异性,分为非对称变形缓慢发展区、非对称变形快速发展区、非对称变形稳定区、非对称变形弱化区和非对称变形二次发展区五个阶段;(2)拱顶及左、右拱肩处支护结构在不同地层倾角下均有较大主应力,且波动幅度较大,左、右拱肩处应力差值的变化对隧道结构会产生不同程度的影响,当倾角为60°时,两处主应力差值取得最大值1. 01 MPa;(3)随着岩层倾角变化,张拉塑性区和剪切塑性区存在不同的分布规律,实际工程中应做好相应抑变措施;(4)本研究结论可为不同岩层倾角产状下的土砂互层地区的隧道设计和施工提供借鉴。     

地表均布超载作用下软土地区既有盾构隧道对地层相对挤压量的计算方法

关于地表超载对既有盾构隧道的影响,现有的分析计算理论忽略了既有隧道与地层的相互作用,由此计算得到的盾构隧道周围的附加土压力与实际不符。基于模型试验结果,分析既有盾构隧道与地层的相互作用,提出采用"两状态对比法"分析地表超载作用下盾构隧道对地层的相对挤压状态,并根据盾构隧道与地层的相互作用关系,推导盾构隧道对周围土体的水平和竖向相对挤压量计算公式,为下一步理论计算地表超载导致的隧道周围附加土压力奠定基础。盾构隧道对周围土体的相对挤压分析表明:在地表超载作用下,水平相对挤压量可简化为三角形,水平地层抗力范围约为72°;当隧道穿越土层的竖向压缩量大于隧道的竖向收敛变形时,隧道对地层产生竖向相对挤压,竖向相对挤压量与隧道变形及穿越土层的压缩模量有关。     

上软下硬地层盾构施工多源沉降数据演化规律

研究目的:上软下硬地层为城市地铁施工中的一种特殊地质,在这种地层中,盾构施工的条件与已有经验公式的假设条件存在差异,并有可能对衬砌、箱涵与管线结构造成工程风险。因此,有必要基于实际工程的监测数据进行针对性的研究。研究结论:本文基于长期施工监测数据的分析,对于某城市地铁上软下硬地层的盾构施工,有如下结论:(1)本区段单线盾构施工时,横向沉降槽形状会受到施工工况的影响,基本符合Peck曲线,最大沉降值大致位于开挖隧道中心线处,产生了较为显著的地表沉降,最大值接近30 mm;(2)本区段盾构施工地表沉降纵断面沉降曲线形状分为4个阶段,掌子面通过时出现较大日沉降;(3)本区段上软下硬地层盾构施工过程中,因为隧道衬砌、箱涵、热力管线自身具有一定刚度,盾构施工时结构沉降会小于土体沉降;衬砌沉降幅值在[-1,+2]mm区间,箱涵、热力管线沉降幅值在[-12,+1]mm区间;(4)本研究成果可为类似上软下硬地层地铁盾构施工设计与施工提供参考。     

列车振动荷载作用下近距离空间交叠盾构隧道的动力响应特性及损伤规律分析

采用拟合的列车振动荷载,研究在上部列车振动荷载作用以及不同围岩等级、不同隧道间距条件下空间交叠盾构隧道的动力响应特性和损伤分布规律。结果表明:上部隧道衬砌振动加速度在拱底最大,拱腰相对较小,拱顶最小,下部隧道衬砌振动加速度在拱顶最大,拱腰相对较小,拱底最小;上部隧道的压致与拉致损伤均在拱底最大,拱腰次之,其余各处相对较小,且上部隧道底部约130°范围为损伤主要区域;随着围岩等级的提高,上部隧道衬砌的最大主应力逐步增大,最大主应力峰值由拱腰逐渐向拱底转移;随着隧道间距的增大,上部隧道衬砌的最大主应力逐步减小。     

浅埋层状软岩隧道大变形特征及处置措施研究

张吉怀高铁新华山隧道在穿越炭质页岩地层时出现严重的非对称性三维大变形。为解决浅埋层状软岩隧道在开挖过程中大变形问题,建立三维层状围岩隧道数值模型,分析浅埋层状软岩隧道大变形特征及机理。结果表明,软岩力学性质是引起新华山隧道产生巨大变形的重要因素,隧道洞口浅埋段节理的存在对大变形贡献明显,炭质页岩层间变形对总变形值贡献率接近50%;节理与隧道轮廓相切区域层间变形最为显著,缓倾状态下,变形集中于拱顶位置,陡倾状态下,边墙破坏风险急剧增加。根据现场变形特征和数值模拟结果提出地表套管注浆加固措施且效果明显。研究结果可为类似浅埋层状软岩隧道的大变形预防与处置提供参考。     

盾构近距离上跨既有线风险评估研究

为研究城市轨道交通隧道间近距离穿越工况风险,以青岛地铁6号线峨—富区间盾构隧道上跨既有1号线峨—石区间隧道工程为例,该工程具有超浅埋、上软下硬地层、近距离上跨既有线等工程特点,通过有限元计算分析峨—富区间盾构施工对峨—石区间隧道结构变形影响,提出盾构施工风险管控对策,并在实际施工过程中实时比对计算结果。研究表明：峨—富区间盾构施工过程中,峨—石区间隧道结构变形较小,采取地层预加固、试验段先行、自动化监测综合控制对策,盾构上跨顺利通过,过程中峨—石区间隧道结构各项位移值均为正常,最大位移值约为1 mm,为计算值的1.5倍。此研究成果可为今后类似工程提供参考。     

下伏溶洞对穿越上砂下黏地层隧道管片受力的影响分析

以武汉地铁六号线Ⅱ标段前进村站—马鹦路站区间隧道为工程背景,针对其上砂下黏且溶洞发育地层,运用有限差分软件FLAC 3D 5.0建立三维数值分析模型,考虑流固耦合效应,研究下伏溶洞对穿越上砂下黏地层盾构隧道管片受力的影响。结果表明:溶洞的存在造成了应力重分布,改变了管片内力的分布;随着溶洞顶与基岩面的距离、溶洞直径和溶洞充填率的增大,管片最大内力出现的位置逐渐向拱底移动;溶洞直径增至12.0 m时,隧道左侧拱腰管片出现最大剪力,此时管片结构可能已经破坏;溶洞充填率增至1.0时,隧道管片剪力和弯矩大幅增长。