拱顶空洞对浅埋暗挖隧道的影响及其防制

研究目的:在城市地铁修建中,空洞的存在往往会加剧地层的变形,甚至引起坍塌事故的发生。在隧道开挖扰动下,探究空洞存在对地层稳定性产生的影响,可以为施工过程中事故的防制提供有效的参考。本文依托青岛地铁工程,通过模型试验与三维有限元模拟,研究空洞在隧道正上方时,开挖过程中地层的失稳机制,并为解决该地层现象提出合理的控制对策。研究结论:(1)随隧道开挖,拱顶处塌落范围逐渐向上扩大,上方地层空洞会受到扰动,轮廓线逐渐闭合,最后完全消失与隧道拱顶塌落融合,同时空洞的存在会加剧地表的沉降,甚至造成隧道上方地表的贯通式坍塌;(2)采用超前地质预报手段可以有效地确定施工地区地层中不良地质体的位置,通过地面注浆与洞内注浆相结合的方法预防空洞坍塌事故的发生,并通过现场地表沉降实测数据证实了超前地质预报与注浆处治相结合的方法对地层空洞预防控制工作的有效性,可为后期的隧道工程中含空洞地层的治理提供参考。     

填海区地铁盾构隧道下穿公路施工地层沉降规律的数值模拟

以深圳地铁2号线盾构隧道下穿填海区滨海大道公路为背景,利用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,研究在隧道施工扰动下,地表的横向沉降和纵向沉降、地层的水平位移和分层沉降的变形规律.仿真计算结果表明:在隧道横断面方向上地表沉降近似呈正态分布,在纵断面方向上地表沉降槽宽度约为15.0 m;距隧道开挖面越近,地层水平位移受车辆荷载和隧道开挖扰动越大;在车辆荷载作用区域,地表沉降和地层水平位移均大于非车辆荷载作用区域,地层的分层沉降和沉降槽宽度均随着地层埋深增加而减小,地层的上部沉降普遍大于下部;在非车辆荷载作用区域,隧道中心线上方的土体沉降随着地层埋深的增加而增加.     

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。     

地铁盾构双隧道施工诱发的地层变形规律分析

以大连地铁202标段双隧道盾构施工工程为背景,考虑土体的分层以及隧道施工过程中盾构推进、注浆和衬砌拼装等工序,运用FLAC3D软件对盾构双隧道同向先后施工过程进行三维精细数值模拟,并与现场测量数据进行对比分析.结果表明:先施工的右线隧道掘进完成后,隧道上方各层土体越靠近地表,盾构施工引起的地层竖向变形越小,而地层的沉降槽宽度越大,地表沉降槽宽度系数为0.56;近距离双隧道同向先后开挖时,土体相互扰动,地层距离隧道轴线的高度越小,地层竖向变形非对称“双峰”特征越明显,岩层的成层性使得双峰特征消失时岩层距离隧道轴线的高度有差别;两隧道中心线和轴线附近地表有不同方向水平变形,此区域的桩基、剪力墙在隧道掘进时将受到附加剪切作用,易出现裂缝,故在施工中应做好切实的防护措施;监测结果验证了数值模拟方法的正确性,在盾构掌子面距离监测点12 m范围内,地表沉降发展得较快.     

浅埋暗挖地铁隧道引起地表沉降的数字模拟与实测分析

地铁隧道施工引起地表沉降问题是地铁隧道建设最难控制且亟待解决的关键性问题之一。根据土体变形机理,对我国北部某城市浅埋暗挖地铁隧道开挖地表沉降量进行有限元预测计算,并利用施工路段现场监测值对模拟结果进行验证。验证结果表明:应用有限元软件模拟计算得到最大竖向沉降量产生在隧道轴线正上方位置,施工结束后的最大沉降值约为39.9 mm;实际监测MS-6断面施工结束后的最大沉降值为55.1 mm;实测值与模拟计算值存在一定差异,距离隧道轴线位置越近,两者差异的数值越大。实测地表沉降值与模拟计算值整体变化一致,因此应用有限元模拟浅埋暗挖地铁隧道引起地表沉降量是可行的。     

双线盾构施工引起地表及建筑物沉降规律研究

结合武汉地铁3号线19标段双线隧道施工,利用数值模拟和现场测试的方法,研究盾构施工过程中建筑物及地表沉降变形特征,并根据同一建筑物不同部位的沉降差判定施工过程中建筑物的安全性。研究结果表明:地表沉降在建筑物处明显增大,建筑物所在位置及其周围土体呈现整体倾斜变形;隧道横向上建筑物长宽比越大,地层滑移角及沉降槽宽度越大;建筑物和基础的沉降变形与隧道施工动态相关,基础的不均匀沉降导致建筑物安全性降低。由此可知,盾构施工对上部建筑物的影响非常显著,研究成果可为今后类似工程设计施工提供参考。     

不同埋深下近距交叠隧道施工地表变形研究

为研究不同埋深下近距交叠隧道施工引起的地表变形交互影响效应,以青岛地铁2号线枣山-李村站与3号线万年泉-李村站相互交叠区间隧道为工程原型。通过FLAC3D动态模拟和分析不同埋深下地表变形规律可知:不同埋深下地表变形趋势不同,埋深越大,受下穿施工影响越小,纵向变形逐渐由双峰沉降曲面向单峰沉降过渡;不同埋深下变形区域不同,埋深越大,变形区域逐渐由交叠隧道沿线向交叠区域中心发展;当埋深超过30 m时,下穿施工对地表影响较小;同时,提出不同埋深下地表沉降变形趋势经验公式。并结合工程应用验证上述分析的可靠性及适用性。     

复合地层曲线盾构隧道施工环境影响分析研究

以南京地铁7号线万寿村站—丁家庄站区间工程为背景,建立复合地层曲线盾构隧道三维数值仿真模型,利用现场实测数据验证数值模型的可靠性。计算分析隧道曲线半径和地层分布对施工环境的影响规律,分析得出曲线隧道施工造成的超挖量对地表沉降影响显著,超挖量越大,沉降量越大,10mm超挖量会导致约2.08mm的沉降增量;隧道于复合地层中掘进时,开挖面软弱土体占比越大,地表沉降越大,土体占比升高10%,地表沉降增大约2.1mm。     

地铁盾构施工下穿既有明挖隧道模型试验研究

为探究盾构下穿施工对既有隧道结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市地铁5号线下穿6线隧道为工程背景,基于几何相似比配制地层和结构模型试验材料,并设计试验监测系统。采用直径1 200 mm小型盾构机,试验模拟盾构隧道以不同深度垂直下穿既有6线隧道的施工过程,并分析下穿过程中既有6线隧道和地层土体的沉降变形规律。结果表明：随着既有隧道底部地层距盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为1.5倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道拱顶距离分别为1倍洞径和1.5倍洞径时沉降最大差值为31.25%;6线隧道结构与其下方地层产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于80%。     

盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工技术研究

成都地铁5号线为满足车辆调度需求,在九兴大道站小里程端采用左线盾构隧道与右线大断面浅埋暗挖隧道的双线并行布设方案,双洞净距2.9m。本文以该超小净距隧道为背景,采用数值模拟方法对隧道开挖时地表沉降规律及夹层土体应力状况进行了分析。结果表明,无论何种开挖次序,先行隧道的开挖均会导致后行洞开挖引起的地表沉降曲线向先行洞偏移并有所增大;由于左线小断面盾构隧道施工扰动理论上较小,因此先施工右线大断面浅埋暗挖隧道后再进行左线盾构隧道的施工顺序更为合理;先浅埋暗挖后盾构隧道施工造成的地表沉降值在两洞中间区域略小于先盾构后浅埋暗挖隧道施工;双线隧道通过后地表沉降槽呈现出"U"形状态,盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1/4;双线开挖过程中中间土体在浅埋暗挖隧道一侧受施工的影响更为明显,应重点关注。     

盾构隧道下穿施工对邻近铁路桥梁的影响分析

以武汉地铁3号线盾构隧道下穿既有铁路桥梁工程为依托,采用有限元软件ANSYS对盾构施工全过程进行模拟,分析不同桩隧净距时盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律。分析结果表明:盾构隧道的施工会使桩基产生以沉降为主的附加变形,最大沉降发生在桩顶处;随着盾构的推进,地表沉降呈现出明显的增长趋势;既有桥梁桩基对盾构开挖引起的地层扰动起到一定的阻隔作用,同时在桩侧摩阻力作用下桩周地表沉降相对较小;当桩隧净距分别为1.8,4.2,6.0 m时,桥梁梁体结构与桩基产生的变形均以沉降为主,随着桩隧净距的增大相邻两股钢轨水平高差及轨面沉降的变化趋势不明显,均未超出6 mm的限值。     

盾构法隧道施工地表沉降变形模拟分析

采用FLAC3D程序对深圳某地铁线隧道盾构施工进行数值模拟,分析了不同施工阶段地表变形及其影响因素.分析结果表明,随着盾构掘进的推进,地表沉降范围不断扩大,最大沉降值也不断提高;盾构掘进引起的地表横向沉降分布与Peck统计地表沉降槽形状类似,即洞项上方沉降最大,而距离隧道中线越远沉降越小;土仓压力越大,沉降槽的深度越小;及时注浆能有效减小地表沉降.     

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。     

暗挖地铁隧道斜交下穿既有铁路的施工研究

研究目的:新建地铁隧道下穿既有铁路工程涉及到铁路运营安全和地铁施工安全,受到工程界的重视.文中选取暗挖地铁隧道斜交下穿某既有铁路工程为研究对象,该地铁隧道为双线、部分浅埋隧道,隧道采用暗挖法施工难度和风险较大.通过ansys计算软件按初步设计的施工顺序和施工工艺进行三维数值计算,分析隧道施工引起的地层沉降和塑性区分布.研究结论:(1)隧道施工引起地层内力重分布,是地表产生沉降的原因,但是列车荷载对地表沉降的影响更为显著;(2)数值计算对施工措施的选择提供了重要依据;(3)施工前对铁路路基注浆加固或在铁路路基两侧预埋袖阀管根据沉降情况进行注浆,可对沉降变形进行控制.     

砂土地层地铁盾构隧道施工对地层沉降影响的模型试验研究

为研究地铁盾构隧道施工扰动下不同埋深处砂土地层损失差异及沉降模式,以干砂为填料,通过逐步释放土体模拟地层损失,对砂土地层盾构隧道施工时由土体损失产生的地表沉降和土体内部地层沉降进行模型试验研究。结果表明:在砂土地层盾构隧道施工过程中,地层损失从地表向下以幂函数形式增长,最大沉降和沉降槽宽度系数与地层损失呈很强的正相关性;随着地层埋深的增加,沉降模式由高斯曲线形式过渡为烟囱状形式,沉降槽宽度系数在增加到一定数值后保持相对稳定状态,而最大沉降持续增长,对地层损失的增加起主要作用。基于统计分析原理,针对砂土地层的高斯沉降模式,建立了不同埋深处砂土地层损失与地表损失间的关系,提出不同埋深处砂土地层损失的计算公式,并结合试验数据修正了不同埋深处砂土地层的最大沉降以及沉降槽宽度系数的计算公式,最终得到不同埋深处地层沉降的计算公式。     

浅埋偏压小净距隧道施工力学数值分析

地形偏压、地质偏压和施工偏压是造成隧道偏压的三种主要原因.在隧道结构地形偏压及地质偏压已经确定的情况下,尽可能地采用合理的施工方法和施工顺序,通过施工来减小地形偏压及地质偏压在施工中以及施工结束后对结构内力的影响,具有相当的工程意义和现实意义.以某浅埋偏压小净距隧道为工程背景,利用有限差分软件,对浅埋偏压小净距隧道的施工方法和施工顺序进行数值仿真模拟,分析不同开挖顺序时的围岩位移、应力、地表位移以及塑性区的变化.各工法数值结果对比分析表明,从围岩塑性区、洞周位移、地表位移及围岩应力因素考虑,双侧壁导坑法更适于浅埋偏压小净距隧道施工.     

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。     

砂层隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响

通过设计小尺寸模型试验，探究在不同埋深、不同施工方法下砂层中新建隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响。结果表明：隧道开挖面发生失稳时，在开挖面前方地层中产生的松动区先呈半个心形，然后沿竖向和横向扩展，逐渐呈上宽下窄的喇叭形，此时地表产生沉降；不同埋深、不同施工方法下开挖面前方土压力均先迅速减小，然后小幅上下波动，最后趋于稳定；隧道埋深和施工方法对地表最大沉降影响很大，地表沉降随隧道埋深增加而减少，采用中隔壁法施工时地表沉降仅为全断面法的17.7%；隧道开挖面失稳会导致既有框架结构产生纵向弯矩，随隧道埋深增加，结构中更多位置出现纵向弯矩；既有结构内力随失稳程度增加而增大，靠隧道侧既有框架结构受影响更大。     

基于地表沉降控制标准的隧道施工安全评估

研究目的:为评价浏阳河隧道施工下地表沉降的安全性,本文从围岩稳定、经验公式和相关规范角度探讨地表变形控制标准,进而建立三台阶工法和双侧壁导坑工法下的三维仿真模型,并同现场监测做对比分析。研究结论:浅埋隧道比深埋隧道的地表沉降控制标准更严格;围岩越坚硬,跨度、边墙高度越小,则允许的地表沉降越小,反之则越大;允许的沉降控制标准主要影响因素是围岩自身条件,其次是隧道的跨度;三台阶法和双侧导坑均能满足地表沉降安全性,考虑到工期的要求采用了三台阶法施工;现场监测结果比数值模拟的要小。     

不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析

地铁施工扰动地层,必然造成相应的地层变形。结合沿海地区软土地区浅埋暗挖矩形隧道施工,使用有限元软件对分部开挖进行非线性数值模拟,分析矩形隧道初期支护在开挖过程中的地表沉降变形。分析结果表明,浅埋软土矩形大跨隧道在开挖过程中,群洞效应的作用和施工方案有密切关系,在此基础上提出了控制地层变形的技术措施,在天津地铁1期工程施工中得到了充分的利用并且取得了良好的效果。