盾构隧道施工引起的地基土超孔压特性模拟与分析

考虑盾构机盾壳与自重、开挖面正面推力、盾尾空隙、千斤顶推力和同步注浆等因素,利用有限元软件模拟研究了盾构施工过程引起的周边土体超孔压,并与实测值进行对比分析,以此验证了模拟方法的可靠性。基于单层软土、中等埋深条件下的盾构施工有限元模拟,分析了超孔压随施工过程的分布特性。研究表明,施工过程中周边土体的超孔压变化明显,随着盾构机的推进先不断增大,盾构机头到达或盾尾脱出时达到最大,盾构机离开后又逐渐减小。软土层中125 d后隧道四周超孔压的衰减率约为92%。     

盾构通过矿山法隧道段数值模拟研究

以深圳地铁2号线东港路站—招商东路站区间盾构通过矿山法隧道段为背景,运用有限元ANSYS软件对盾构通过矿山法隧道段施工过程进行动态模拟,在模拟盾构管片周围设置应力及径向压力监测点、管片环缝间设置纵向应变监测点,计算得出盾构通过矿山法隧道段时管片的受力变化规律。研究结果表明:①空推阶段管片受力变化规律表现为两个阶段,先是随着脱离盾尾距离的增大而增大(或减小),然后达到稳定;②补压浆阶段补压浆施工会引起注浆环及邻近管片受力的显著变化。对称补压浆与单侧补压浆的影响范围分别为前后4环、前后6环;③对称补压浆较单侧补压浆效果理想。     

盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型

假设饱和软土地层中从管片注浆孔进行壁后即时注浆时,浆液直接接触周围土体,形成以注浆孔为中心的半球形浆体,与周围土体发生压滤效应,应用达西定律和弹性理论对球形浆体扩散过程进行理论推导,建立盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型。计算分析壁后注浆时隧道周围土体孔隙水压力、有效应力及注浆对管片产生的附加压力。分析结果表明:孔隙水压力随着远离注浆孔而逐渐消散;土体径向有效应力随着远离注浆孔逐渐减小,土体切向有效应力随着远离注浆孔先增大、后逐渐减小;注浆对管片产生的附加压力随着注浆压力的增大而增大。     

盾构法施工对既有桥基础变位的影响分析

研究目的:盾构法施工对周围土体及既有建筑物的影响极为复杂,分析盾构施工过程中对周围既有桥梁基础的影响具有重要的工程价值和研究意义。本文以某隧道开挖的工程实例为背景,采用ABAQUS通用有限元软件,建立了结构的三维有限元模型,考虑了土体及其与结构间的非线性特性,模拟了盾构法隧道开挖的完整施工过程,最终得到了盾构施工过程中既有桥梁的承台和桩基础的变位规律。研究结论:分析表明,在开挖过程中,在开挖掌子面压力的作用下,前方土体隆起,最大隆起量为4.287 mm;由于开挖引起的土体损失、土体应力释放以及盾尾空隙的共同作用,导致盾构正上方及盾构后方的土体发生沉降,最大沉降量为6.651 mm。盾构施工过程中,承台将发生较大的竖向、横向和纵向变位,不可忽略。进行既有桥梁上部结构分析时应考虑承台的基础变位影响。     

天津地铁盾构隧道施工地层及结构变形特性分析

基于土压平衡盾构隧道关键施工要素分析,提出1种可进行渗流—应力耦合分析的精细化数值模拟方法。依托天津地铁6号线天托站—一中心医院站区间盾构隧道工程,模拟分析关键施工参数对地层及结构变形的影响规律,并通过实测数据验证模拟结果的合理性。结果表明:通过向盾壳单元施加恒定节点速度模拟盾壳—土体摩擦作用,能够反映盾壳—土体界面的真实剪应力状态,避免盾壳姿态发生倾斜引起附加土体位移;通过向等代层单元施加单元流量边界(流入)模拟同步注浆过程,能够反映浆液引起地层孔压边界的改变;开挖面支护压力的增大可一定程度减小地层沉降和管片环椭圆化变形;盾壳—土体摩擦力的增大将显著增大刀盘前方地层的隆起、盾尾后方地层的沉降、地层沿隧道轴向和横向的水平位移以及管片环椭圆化变形;同步注浆量的增大可有效减小地层沉降、地层沿隧道轴向的水平位移以及管片环椭圆化变形。现场实测数据与数值模拟结果具有很好的一致性,验证了数值模拟方法的合理性。     

武汉地铁盾构始发段施工三维数值模拟

以武汉地铁积玉桥车站盾构始发段工程为背景,综合考虑始发井连续墙施工、基坑开挖、端头加固、土体分层、盾构开挖面泥土压力、盾尾建筑空隙、盾构壁后同步注浆等因素,采用有限差分软件FLAC3D模拟始发段泥水盾构施工。利用现场实测数据对比模拟结果,分析本文提出的三维有限差分模型,验证了模型的可靠性,分析始发段盾构施工引起土体的土体扰动规律。     

盾构施工参数对地表沉降的影响及控制措施

依托武汉地铁11号线光谷四站—光谷五站工程区间,研究盾构施工参数的选取对隧道开挖附近的地表沉降及土体变形的影响,并提出相应控制措施。盾构掘进中,围岩压力的变化、土体的松动程度、注浆质量的变化及盾尾间隙的选取等都会对地表变形产生影响。采用Abaqus有限元软件对该工程典型掘进段进行精细化仿真,得到沉降模拟值,并运用三维Peck公式得出沉降计算值,最后与施工过程中典型监测点的沉降监测值进行对比,总结施工参数对地表沉降的影响规律,为施工过程中的地表变形预测与控制提供理论支撑。结果表明,围岩条件、土体卸荷程度和注浆质量对地表沉降的影响较大,盾尾间隙对地表沉降的影响较弱;典型监测点的变形规律与数值模拟规律更为接近,说明数值模拟预测与仿真分析的合理性与适用性。     

泥炭质软土地区盾构隧道抗震性能研究

文章采用ANSYS有限元分析软件,对土体与衬砌管片组成的耦合系统进行盾构隧道抗震三维有限元分析,其中考虑了土层的内摩擦角、内粘聚力。对不利于抗震的泥炭质土层采用多线性随动强化处理,使计算结果更加真实可靠。管片采用实体梁单元模拟,地震波选取汶川地震的地震动曲线。计算结果包括隧道周围土体的时程位移曲线、管片的轴力、剪力、弯矩等。最后从地震对盾构隧道的影响,对隧道抗震性能进行了初步评估,其结论可供昆明地区盾构隧道抗震设计参考。     

暗挖隧道近接上穿地铁盾构隧道的施工模拟

结合北京地铁10号线"国—双区间"盾构隧道受近接上穿地下过街通道施工影响的工程问题,针对盾构隧道周围地层的二重管无收缩WSS工法注浆加固措施,对整个动态施工过程进行了数值模拟分析,预测了地下通道的开挖卸荷引起下卧盾构隧道的变形情况,并评估了盾构隧道的安全性。通过计算分析,发现对近接盾构隧道周围地层采用WSS工法注浆加固能够有效地减小开挖卸荷引起的既有盾构隧道隆起变形和收敛变形,增大变形曲率半径,从而减小盾构管片的纵、横向的附加应力,对近接施工中的既有结构起到了保护作用。     

新建地铁与既有线交叠区域地基处理加固分析

沈阳地铁10号线盾构区间超小净距上穿既有地铁2号线区间人防段,为研究地铁施工对既有结构产生的影响,探讨交叠区域采取注浆加固措施后的效果,确保盾构区间顺利完成穿越。利用ABAQUS有限元软件建立交叠区域地基一定范围内土体深孔注浆预加固三维模型,研究新建隧道盾壳与既有暗挖结构点接触对既有结构及管片结构内力的影响。研究结果表明:新建地铁若与既有2号线区间发生点接触,接触点位置会出现集中荷载,对既有结构受力不利;交叠区域地基进行注浆预加固后,既有结构拱顶所受弯矩较未注浆加固时减小约5/6,地基处理效果明显,这是由于盾壳与周围土体刚度差异减小,周围土体可承担更多竖向荷载;新建地铁管片弯矩值降低为未注浆加固时1/5左右,裂缝宽度由0.08 mm降低为0.05 mm,注浆加固一定程度上具有改善管片环向受力状态的作用。分析结果证明了加固方案的合理性。     

侧方基坑开挖对盾构隧道的影响研究

为了研究侧上方基坑放坡开挖对盾构隧道的影响,利用FLAC3D建立三维数值模型,模拟轨道交通侧方基坑开挖的施工全过程,从盾构管片内力及模型位移等角度分析基坑开挖对盾构隧道的影响,并将数值计算结果与现场观测数据进行对比。结果表明,随基坑开挖深度的不断增加,盾构管片及基坑边坡水平位移不断增大,当基坑开挖至坑底时,基坑中部位置处盾构管片变形最大,管片拱肩位置处水平位移最大(为5. 24 mm),拱顶最大竖向隆起为1. 01 mm,拱腰最小曲率半径达482 690 m,管片拱肩位置处存在压应力集中(最大压力为3. 58 MPa)。当基坑内部结构施工完成后,管片水平位移量减小。为减小基坑开挖对盾构隧道的影响,基坑开挖至坑底后应尽快施作内部结构,有利于控制盾构管片变形。     

重叠隧道上洞开挖面支护与注浆压力对下洞隧道的影响分析

以昆明地铁首期工程环城南路站—昆明火车站站区间重叠隧道为背景,研究重叠隧道施工时开挖面支护压力及注浆压力对下洞隧道的影响。采用有限元数值模拟方法,分析了土仓压力与注浆压力对地表沉降和下洞管片衬砌结构应力的影响。研究表明,注浆压力的影响更为显著,盾构掘进应保证开挖面支护压力不小于地层原始水平应力,注浆压力应控制在0.8~1.0倍地层原始应力范围内。     

基于土压平衡模式的盾构穿越密集建筑群变形控制技术研究

沈阳地铁4号线劳动路站—望花屯站区间隧道采用盾构法施工,隧道在曲线段穿越密集建筑物群,且建筑物变形控制标准高,隧道穿越地层为富水黏土地层。根据试验段的土压平衡和泥水平衡两种模式掘进效果对比,提出采用土压平衡模式穿越建筑物。详细探讨了穿越过程的盾构掘进参数、土仓压力设定、B型管片注浆孔设置以及曲线段测量控制技术,研制了适合地层特点和盾构结构特点的同步注浆浆液及刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的间隙填充浆液。建筑物变形监测结果表明:隆起及沉降变形均在允许范围内,极大提高了盾构掘进工效。     

考虑注浆压力的泥岩地层管片上浮特性与控制

盾构隧道穿越富水泥岩地层时,受盾尾注浆压力和地下水的共同作用,其衬砌管片会出现上浮现象.为研究盾构管片上浮时的位移与力学特性,分析速凝型浆液与管片堆载的抗浮效果.依托南宁地铁5号线下穿邕江段区间,利用有限差分软件FLAC3D,考虑流固耦合及管片的纵向拼装效应,对盾构施工全过程进行模拟.计算结果表明:(1)盾尾同步注浆压...     

单层土压密注浆压力及上抬力确定方法研究

考虑注浆过程中土体发生三维锥形剪切破坏,对单层土压密注浆压力及上抬力确定方法的进一步研究对工程实践具有特别明显的指导作用。采用球孔扩张模型和三维锥形剪切破坏模型来研究土体压密注浆加固的力学机理。将压密注浆过程视为理想土体中的球孔扩张问题,基于Mohr-Coulomb破坏准则,通过绕轴旋转将其破坏曲线改进为三维破坏模型,提出单层土压密注浆压力及上抬力的计算模型。并与其他计算结果进行对比,验证了本文方法的有效性。     

地下水位对青岛地铁盾构隧道变形影响研究

以青岛地铁1号线盾构隧道为背景,借助Plaxis 2D有限元分析软件,研究了不同地下水位下盾构隧道周围土体的变形。每个地下水位分开挖完成和注浆完成2种工况进行分析。通过对比不同地下水位、不同工况下隧道周围土体的变形情况,分析地下水对盾构隧道施工的影响,并将分析结果与现场实测结果进行了对比。结果表明,开挖完成时地下水位越高,土体变形越大;注浆完成时,地下水位对土体变形影响较小。     

深厚软土地区盾构管片上浮特性数值分析

深厚软土地区盾构管片上浮是较为普遍的现象,对盾构过程和周围环境安全影响较大。结合福州某地铁盾构工程,考虑地层损失和软土扰动影响,建立了深厚软土地区盾构过程中管片上浮的数值模拟方法,并利用实测数据对该模型进行验证。利用已验证的数值模拟方法分析了同步等效注浆压力、注浆量、浆液压缩模量、土仓压力和隧道埋深等对盾构参数对管片上浮量和上浮规律的影响,并建立了管片上浮量的经验计算公式。研究表明数值模拟结果与实测值吻合度较高,能够较真实反映盾构管片的上浮特性;随着注浆压力、土仓压力、注浆量、浆液模量的增大,管片上浮量增大;随着埋深的增加,管片上浮量降低。     

基于浆液黏度时变性的盾构壁后注浆模型研究

研究目的:盾尾同步注浆是盾构施工过程中重要环节之一,其浆液包裹促使管片处于"悬浮漂移"状态,稍有不慎极易造成隧道结构上浮或错台,进而引起管片开裂破损。基于Magg柱面扩散理论,推导考虑浆液黏度时变性与否两种情况下盾构隧道壁后注浆浆液扩散半径和注浆压力公式,通过算例对比分析注浆过程中隧道管片压力随时间、同步注浆浆液初始压力、扩散半径变化规律,为盾构管片设计施工提供理论基础。研究结论:(1)无论考虑浆液黏度时变性与否,管片所受压力及浆液扩散半径均与时间呈正向增长关系;(2)浆液扩散半径与初始注浆压力呈正向增大关系,管片所受到的压力与初始注浆压力呈指数增长关系;(3)不考虑浆液时变性的计算结果均高于考虑浆液时变性的计算结果的5%～10%,最大可超过70%,实际盾构同步注浆应予以重视;(4)实际工程可以通过调节初始浆液黏度比来降低管片压力,其初始浆液黏度比有效调控范围在2～6之间;(5)本研究成果可为盾构隧道结构设计和施工提供参考。     

考虑浆液稠度变化的盾构壁后注浆扩散模型

盾尾脱离管片后,在土体与盾构隧道管片间形成一个环形柱状空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆是控制地层应力释放和地层变形的重要手段。以幂律型浆液为研究对象,建立恒定注浆速率条件下盾构隧道壁后注浆渗透扩散模型,分别推导浆液渗透扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变时的压力时空分布方程及因注浆造成的管片压力计算公式;结合具体工程算例,分析浆液压力与注浆时间、浆液扩散半径之间的关系,讨论注浆压力、幂律型浆液水灰比和注浆时间等因素对管片所受压力的影响。并对浆液扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变的计算结果进行相应的比较,说明盾构壁后注浆考虑稠度时空变化的必要性。研究成果为盾构隧道壁后注浆参数的选择提供一定的计算依据。     

大直径盾构下穿既有地铁车站的施工模拟

大直径盾构铁路隧道下穿已经建成的某地铁4号线车站及近邻的地铁2号线车站,为确定设计方案可行性,保证车站结构安全及运营正常,采用三维有限元对盾构近邻施工过程及后期变形沉降进行分析。盾构外径11.97 m,与既有地下车站最近距离约4 m。通过三维模拟盾构掘进、同步注浆及管片脱出盾尾后受力情况,分析盾构施工对地铁的影响,提出降低施工影响的工程措施建议,为确定方案提供了依据。