考虑施工过程的土压平衡式盾构隧道掘进数值分析

研究目的:通过建立三维有限元模型,对土压平衡式盾构隧道掘进的施工过程进行模拟,模拟中考虑了盾构机作用、盾尾空隙及注浆的影响、后方台车重量等因素,并采用了位移控制的求解方法.该计算模型可以用于探明地表或地中位移的大小和分布情况,以及地层移动随盾构机掘进的动态变化规律.研究结论:盾构掘进时地表沉降主要在盾构机前方1D到盾构机后方2D的范围内产生,随着埋深的增加,地层受盾构机的扰动也大.盾尾空隙的存在是造成地层移动的主要原因.盾构掘削面到达前,地表将沿着盾构机推进方向产生移动,该移动在盾构通过时受地层沉降的影响会先减小后增大,并在隧道建成后出现最终的最大值.     

富水地层盾构掘进引起地铁隧道地表沉降规律研究

以常州地铁1号线工程为依托,对盾构隧道施工过程中的盾构掘进参数和地表沉降监测结果进行分析,得到了常州地区典型土层情况下盾构施工引起的沉降量、地层损失率、沉降槽宽度系数变化规律,并分析了隧道埋深、拱顶覆土、注浆参数等对地表沉降规律的影响。研究结果表明:盾构掘进引起的地表沉降曲线符合Peck曲线,平均沉降值在10 mm以内,平均地层损失率为0.68%;地表最大沉降量随隧道埋深的增大而减小;隧道拱顶覆土为粉质黏土时的地表沉降和地层损失率明显大于拱顶覆土为粉砂;地表最大沉降量、地层损失率均随着同步注浆量、土仓压力增加而减小,但是沉降槽宽度系数随之增大,且拱顶覆土为粉砂时较粉砂夹粉土变化更显著。     

盾构施工引起地层损失率变化特征

城市地铁盾构法施工对周围土体产生扰动引起地表位移是施工中必须重视的问题。当盾构隧道下穿既有隧道或管线等构筑物时,地层位移不可忽略。以北京地铁14号线方-十区间为背景,采用地层分层位移监测技术体系,通过多元回归分析和坐标转换等方法监测得到某一位置不同深度测点地层位移,研究不同深度地层的竖向位移分布特征以及随盾构推进的动态变化规律,并结合数值模拟进行对比分析。结果表明：地表和不同深度地层都呈现明显正态分布的沉降槽特征,沉降槽最大沉降值从拱顶传至地表过程中逐渐衰减且变形影响范围不断向两侧扩展,埋深较小的沉降槽宽而浅,埋深较大的沉降槽窄而深。实测结果及数值模拟均揭示了盾体通过阶段和盾尾脱出后阶段占有最终沉降较大比例,这为有效充填开挖间隙以及加强盾尾空隙注浆效果以有效控制地层位移提供理论支撑及指导意义。     

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%。     

黏性土地层曲线盾构施工地表沉降预测研究

研究目的:小半径曲线盾构隧道施工引起的地表变形规律与盾构直线掘进差异明显,易造成地层损失加剧、地表非对称性沉陷等问题。本文以济南厚冲积黏性土地层盾构曲线施工为研究对象,探究隧道埋深及曲率半径对地表变形的影响规律,基于Peck公式结合现场实测数据,建立曲线盾构施工地表沉降预测公式。研究结论:(1)曲线盾构掘进受转弯段刀盘超挖、主动铰接盾壳挤压土体、千斤顶不平衡推力等因素的影响,致使隧道两侧地层差异扰动、地表变形非对称性;(2)在1.5~3倍隧道直径的埋深范围内,地表峰值沉降、沉降槽宽度系数及地层损失率随埋深的增大呈线性递增,地表沉降槽偏移量随曲率半径的减小呈线性递增;(3)修正Peck公式与现场实测数据吻合较高,修正系数取值范围为α=0.46~0.52,β=0.43~1.16;(4)该研究成果对黏性土地层曲线盾构施工地表变形预测及灾害防控具有指导意义。     

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。     

基于地表位移控制的浅埋盾构管片壁后注浆压力确定方法北大核心

采用考虑卸载模量的硬化土小应变模型,模拟分析了不同埋深盾构隧道施工时地表竖向位移随管片壁后注浆压力的变化规律,并从盾构施工微扰动控制角度探讨了壁后注浆压力的确定方法。结果表明:随壁后注浆压力增大,不同埋深下地表竖向位移均可分为沉降敏感阶段、稳定阶段和隆起敏感阶段;壁后注浆压力应在隧道顶部上覆土自重应力的基础上进一步增大,以顶起上覆土,弥补超挖引起的地表沉降;当地层损失补偿率与地层损失率接近时,可达到盾构施工微扰动控制要求,据此提出一种综合考虑地表竖向位移、地层损失率、地层损失补偿率的壁后注浆压力范围确定方法。     

考虑水-土耦合的盾构隧道地表沉降试验研究

考虑水-土耦合情况,进行不同隧道埋深、支护压力和掘进速度条件下盾构隧道施工致地表沉降的大型三维物理模型试验,总结不同条件下的地表沉降规律,分析孔隙水压力和围岩压力的变化特性,归纳不同条件下的地表沉降曲线;探讨隧道埋深、支护压力和掘进速度以及孔隙水压力对地表沉降值的影响,推导地表横断面沉降槽计算的经验公式,并将研究成果应用于北京地铁10号线部分区间的地表沉降预测.结果表明:随着隧道埋深增加,地表沉降值减小,地表横向沉降槽影响范围加宽;沉降值随支护超压比增加而增大;掘进速度变化对地表沉降的影响程度较小;施工扰动围岩及孔隙水压力消敞对地表沉降值有较大影响;基于物理模型试验的经验公式预测值与FLAC~(3D)数值模拟预测值、现场实测值均较为吻合.     

盾构隧道近距离穿越燃气管道影响分析

盾构隧道近距离穿越燃气管道易引起管道及周边地层变形，控制效果不佳可能引发工程事故。依托某盾构隧道长距离穿越燃气管道工程，采用ABAQUS建立盾构隧道掘进对管线影响的三维有限元模型，研究地表和燃气管道受力及变形，并对比分析下穿过程不同掌子面支撑压力和同步注浆压力对燃气管道沉降影响规律。结果表明，掌子面支撑压力增大，燃气管道沉降量随之小幅减小；盾尾同步注浆压力增大，燃气管道沉降显著减小，同步注浆压力控制在1.1～1.3倍静止土压力范围可满足燃气管道变形控制要求。经现场实测验证，燃气管道最大沉降速率仅为0.25 mm/d,小于变形控制标准。     

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.     

软弱地层盾构隧道侧穿房屋基础沉降特性分析

以广州轨道交通21号线金坑站—镇龙南站区间土压平衡盾构下穿均和村房屋群为工程依托,采用数值模拟方法研究盾构隧道侧穿房屋群基础沉降特性,对比分析不同隧道开挖顺序下房屋基础沉降响应规律,并结合现场实测数据进行对比分析,揭示软弱地层盾构隧道侧穿房屋群施工扰动特性。研究结果表明:(1)在软弱地层双线隧道侧穿既有建筑物时,优先施作受荷载作用显著侧隧道,可有效降低既有建筑物变形;(2)在软弱地层盾构隧道掘进过程中,地表既有建筑物产生的主要沉降位于隧道穿越既有建筑物前3倍洞径至穿越建筑物后6倍洞径范围内,在此区段内可加强监测力度,根据实际需求采取降低掘进速度或适当加大注浆量的控制措施来控制既有建筑物变形;(3)受软土地层特性和施工同步注浆浆液固化的影响,在盾构穿越监测点10 m左右监测点沉降达到最大,随着浆液强度的增大,存在沉降回弹现象。     

粉质黏土层大直径泥水盾构掘进地层扰动分析

针对盾构机在粉质黏土层中推进引起的地层扰动进行分析尤为重要。以新建京张高铁JZSG-1标段清华园隧道2号～1号盾构区间为例,采用现场实测与数值模拟相结合的方法,研究大直径泥水平衡盾构隧道穿越粉质黏土层引起的地层扰动,得到土体横向水平位移及地表沉降的变化规律。需对横向1.5D范围内地表及建(构)筑物进行地层加固、加强监控量测;在盾构掘进过程中,应根据沉降数据实时调整盾构掘进参数及加固方案,以期更好地控制地表沉降。针对掌子面释放系数和注浆层软化模量进行参数分析数值计算,提出地表沉降的有效控制方法,在条件允许情况下适当提早管片的拼装及适当加快注浆层的硬化速度,可有效控制地表沉降。     

施工参数对盾构穿越软土地层变形控制的影响分析

以盾构穿越昆明市轨道交通5号线金海新区站—福保站区间软土地层为背景,通过建立三维数值计算模型,研究施工参数对盾构穿越软土地层变形控制的影响。研究结果表明:双线盾构隧道施工,在相同施工工艺情况下,地层变形不完全对称;先掘进隧道由于开挖卸载作用,对地层原始应力产生影响,最终会产生略大于后掘进隧道的变形;盾构在软土地层中掘进,土仓压力宜略大于土体掌子面压力,即采用盈压模式掘进;盾构施工过程中,宜采用早凝浆液,同时宜使用稠浆,避免后期浆液凝固失水收缩产生地层损失,或采取其他措施达到及时填充盾尾空隙且无后期收缩作用的效果。     

浅埋微距双线土压平衡盾构水下始发分析

为了研究双线土压平衡盾构水下始发时的施工扰动行为,以广佛环线城际铁路沙堤隧道工程为背景,采用流固耦合分析方法,系统分析有无渗流作用下土压平衡盾构于河道中进行始发的施工响应和地层加固问题,并基于开挖面稳定系数的概念和方法对盾构始发过程中开挖面的稳定性进行分析与评价。研究结果表明,地下水渗流作用会大大增加开挖面失稳风险,引起地表发生较大沉降;始发加固作用可以有效减小地表沉降值,且可以减弱盾构掘进对加固区域外地层的超前扰动;基于开挖面稳定性系数的开挖面稳定性等级分析方法得到的开挖面稳定性分析结果与数值模拟结果基本一致,可以用于盾构隧道开挖面稳定性的分析和评估。     

盾构法施工引起的地层变位分析

研究目的：在城市隧道施工过程中，地层变位的大小往往成为决定施工成败的关键因素之一。通过对因施工引起地层原始应力状态改变、土体损失、管片衬砌变形等进行分析，合理设定盾构掘进参数，建立有效土压平衡，减小对地层的扰动和地层损失，保证施工质量。研究结论：以北京地铁4号线19标段盾构工程为例，对施工开挖造成地层原始应力状态改变、地层损失引起的地层位移进行了分析，并对施工现场进行监控量测。分析和量测数据验证，合理设定土压、同步注浆、掘进速度等掘进参数，建立有效的土压平衡，即可将各项变形控制在规定的范围内。     

基于复合地层表征参数的盾构隧道地面沉降预测分析

隧道盾构掘进过程中,复合地层围岩的特殊性质通常难以明确地量化表征,却对地面沉降影响甚大。针对这一问题,引入地层复合指数作为描述复合地层特征复杂程度的表征参数。依托某工程隧道地层组段的多项物理力学参数的数据特征,提出将复合地层变形模量的加权变异系数设置为地层复合指数;应用有限层法理论,分析复合地层中盾构掘进的有效推力、水平位移以及地面沉降的理论计算值与复合指数的关联性;同时,结合盾构掘进贯入度,通过数据拟合得到地层复合指数、贯入度、地面最大沉降值三者之间的关系式。工程实例验证表明,地层复合指数可以有效预测复合地层的盾构隧道地面沉降。     

数值分析结合自动化监测技术在地铁下穿工程中的应用

为确保地铁双线盾构隧道长距离平行下穿既有建筑物的安全,采用FLAC3D有限差分软件建立模型,获得施工过程中地铁盾构隧道所引起的该建筑结构的变形规律及影响范围,并提出针对性的监测方案。结果表明:(1)根据理论计算及实际监测,盾构隧道施工对既有建筑结构的影响范围为隧道上方及两侧20 m横向范围,因此应对该范围内的建筑结构进行重点监测;(2)为降低由于盾构施工造成的地层损失,及时对区间下穿既有建筑段下方隧道拱部管片外侧地层进行二次注浆加固很有必要,通过监测可知,该建筑结构最大绝对沉降值约为9.5 mm,最大差异性沉降值为10.5 mm,均满足评估单位给出的安全指标;(3)采用自动化监测手段,实时掌握建筑物的变形数据,通过调整盾构推力、土仓压力、掘进速度等掘进施工参数,最大程度降低对既有建筑结构的扰动。     

盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究

研究目的:探明盾构隧道施工中各制约因素取值差异对地表沉隆变位分布规律的影响。研究方法:本文以某拟建地铁城市区间盾构隧道试验段为研究对象,引入荷载释放系数和纵向等效刚度系数,采用三维有限元法对盾构隧道施工引起的地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线进行了研究。研究结果:揭示了围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素变化对盾构隧道施工引起地表沉隆变位的影响,运用三维曲线探讨了盾构隧道施工过程中的地表沉隆变位曲线空间分布变化规律。研究结论:围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力增大都将导致施工引起地表沉隆变位影响的加剧,建议工程施工中采取调整顶推力等措施以降低施工对地表环境的影响。     

苏州地铁盾构工程地面隆沉控制分析

结合苏州市轨道交通一号线临顿路～仓街站区间盾构工程实例,探明苏州粉质黏土及粉砂地层盾构正常掘进引起的隆起和沉降变形特征;研究盾构隧道管片壁后注浆材料、注浆参数、二次补浆、各项掘进参数对地表隆起和沉降变形的影响;探究在苏州粉质黏土及粉砂地层条件下较小的隆起和沉降槽范围。     

有限土体土压力理论在异型深基坑工程中的应用研究

针对砂卵石地层新建隧道穿越既有线面临的异型深基坑工程,对基坑侧壁与既有地铁车站风亭间的夹土体进行受力分析,明确在平均土体宽度b=3.5 m条件下,对于竖直段,当开挖深度大于6.5 m时,就必须考虑有限土体土压力的影响,提出相应的计算模型与简化公式,发现有限土体土压力与开挖深度近似成线性关系;对于扩挖段,基于有限土体受力特性,提出扩挖段有限土体土压力计算模型与简化公式,由于扩挖边承受一定的土体自重,因此扩挖点处基坑侧壁土压力有所增加,扩挖段有限土体土压力与开挖深度近似成指数关系,但随着扩挖深度的增加,有限土压力明显小于常规土压力,同时随着扩挖段有限土体宽度的减小,有限土压力与常规土压力差值趋于稳定;最后通过数值分析,发现有限土体土压力作用下,异型基坑自身的变形相对较小,其水平变形主要集中在左侧隧道侧与基坑扩挖段,同时基坑的变形与裂缝均能满足规范要求。有限土体土压力能有效减少基坑围护结构内力与配筋,精细化设计有利于确保工程安全并控制工程造价。