考虑流固耦合效应的盾构隧道开挖面稳定性研究

文章采用PLAXIS有限元软件,建立流固耦合条件下盾构隧道开挖面数值计算模型,研究隧道管片安装时间内,流固耦合效应对隧道开挖面稳定性的影响。通过控制变量法,分析流固耦合条件下开挖面不同支护压力比(开挖面支护压力与前方水土压力之比)和不同隧道覆径比(隧道埋深与直径的比值)对隧道开挖面变形及地表沉降的影响规律,并探讨了流固耦合效应下开挖面失稳破坏模式。研究结果表明:(1)在隧道管片安装时间内,开挖面前方土体将在渗流作用下形成土拱效应,从而使开挖面支护压力比小于1。而未考虑流固耦合效应时,需要较大极限支护压力值才能保持隧道开挖面前方土体的稳定;(2)当考虑流固耦合效应时,隧道覆径比对开挖面稳定性影响有限,但对地表沉降有较大影响,且覆径比越大,地表沉降变大且影响范围较广;(3)在隧道管片安装时间内,开挖面前方虽在渗流影响下具有土拱效应,但随着支护压力减少及开挖面上部渗流场的共同作用,使得开挖面前方土拱效应减弱,继而使隧道开挖面上方与前方土体连通形成楔形土体滑动区。相比未考虑流固耦合的情况,其楔形体趋向于开口较大的漏斗状破坏形式。故在隧道施工过程中,应考虑流固耦合效应对开挖面变形及地表沉降的影响。     

砂土地层盾构隧道开挖面支护压力与地表变形关系模型试验研究

为研究砂土地层盾构隧道开挖面支护压力和地表变形的关系,文章通过自制模型试验系统,测量了砂土土样地表变形和开挖面支护压力,分析研究了地表沉降、隆起与开挖面支护压力之间的关系。通过测量不同覆土厚度情况下的扰动区域范围,建立了开挖面前方土体沉降和隆起破坏模型;试验得到了开挖面支护压力和地表变形相关关系曲线,在此基础上,提出了以0.2%开挖洞径变形量作为实际支护压力设定的参考点,并结合朗肯土压力公式给出了维持开挖面稳定的极限支护压力上下限值。为便于应用,建议了维持地表特定变形量下的支护压力值。     

浅覆土大断面小间距矩形顶管施工的环境效应

深圳华强北至华新地铁站区间通道工程采用矩形顶管机施工,具有大断面、小间距、浅覆土、上穿地铁隧道、下穿多条地下管线、多条顶管平行施工等特点。文章通过建立数值模型,对注浆压力和机头作用的模拟方法进行了讨论和改进,分析了顶管施工对周边环境的影响。计算结果表明,矩形顶管施工引起的地表沉降槽同样符合Peck公式,土体损失在地层位移的形成中起主导作用;随着多条顶管先后施工,地表沉降槽从V型分布向W型分布转变,地铁隧道竖向位移不断叠加;管棚的支护作用有效减小了地表变形和地下管线变形。     

软弱地层超大矩形顶管盾构隧道近接施工加固方案优选研究

为保证软弱地层中超大矩形顶管盾构隧道近接施工安全，以某矩形顶管盾构隧道近接下穿既有高速铁路为工程背景，研究超大矩形顶管盾构隧道近接下穿高铁段不同施工加固方案的效果。结果表明：采用超前注浆可使开挖面主动失稳位移减小25.64%，被动失稳位移减小17.65%，轨道沉降减小30.38%。采用人工挖孔桩+D型钢便梁可使开挖面主动失稳位移减小51.28%，被动失稳位移减小29.41%，轨道沉降减小42.31%；现场监测表明，采用人工挖孔桩+D型钢便梁加固后轨道沉降最大值仅为1.65 mm，超大矩形顶管盾构隧道成功下穿既有高速铁路，人工挖孔桩+D型钢便梁保证了超大矩形顶管盾构隧道近接施工安全和高速铁路正常运营。     

复合地层隧道开挖面稳定性分析

文章针对隧道开挖地层为复合地层的情况,构建复合地层隧道数值分析模型,研究复合地层隧道开挖面稳定性,同时分析不同支护压力作用下开挖面位移及塑性区的变化特征。研究结果表明:(1)研究复合地层隧道开挖面位移与塑性区变化特征,上软下硬的开挖面位移由0.04m增加至0.45m,塑性区范围扩展且集中于开挖面前方;(2)不同支护压力能够有效降低开挖面位移,支护压力与开挖面位移呈现指数函数降低,同时塑性区范围逐渐向软硬岩分界面处收缩,直到开挖面前方无塑性区;(3)极高支护压力作用下,塑性区不仅不会消失,甚至会由顶底板处重新扩展到软硬岩分界面处。     

临近端头井盾构开挖引起土体沉降数值分析北大核心CSCD

文章以南昌地铁2号线雅苑路站施工为例,基于小应变硬化土体(HSS)本构模型,建立从端头井始发的双线盾构隧道掘进模型,分析了基坑开挖与双线盾构掘进共同作用下的土体沉降规律。结果表明:(1)加固盾构始发区土体可有效减弱区域范围内地表沉降,该区域内地表沉降量远小于区间隧道沉降量;(2)在同一埋深条件下,先建隧道地表沉降最大值高于后建隧道地表沉降最大值,地表横向沉降槽呈现非对称W型;(3)基坑开挖与盾构掘进共同作用下引起的地表沉降值,可以由二者单独作用产生的沉降值叠加计算得到。     

近距离平行隧道开挖的三维有限元数值分析

利用3D-σ有限元程序对近距离平行隧道的三种典型开挖方式进行了三维数值模拟;分析了在三种不同开挖方式下地面沉降槽形状及发展、土体和隧道的位移特征、岩体横向位移、衬砌内部应力;同时对相向同步开挖的各施工步进行了位移分析。数值分析结果表明,近距离平行隧道采用相向同步开挖对岩层扰动相对较小、地表及隧道位移量较低、衬砌时的应力较小。相向同步开挖与同向开挖时地表沉降槽的形状明显不同。     

长赣高铁临近侧穿黄花机场跑道段隧道施工工法比选

长沙至赣州高速铁路临近侧穿黄花机场跑道段隧道施工,需对地面沉降进行严格控制。文章选取暗挖法、盾构法、管幕法以及顶管法等四种常见施工方法进行数值模拟分析,对隧道施工过程中的周围岩体应力、塑性区开展情况以及地表沉降的变化计算结果进行对比分析。结果表明,暗挖法施工造成的地表沉降量较大,达到2cm以上,对于隧道开挖本身以及地表各种建筑物造成较大影响;而盾构法、管幕法以及顶管法施工,能够有效地控制地表沉降量在5 mm以下,能够满足隧道施工及机场运营安全的要求;结合工程造价及技术条件等因素综合考虑,最终推荐该段施工采用管幕法。     

粘土中超大直径泥水平衡顶管被动极限支护压力计算方法

为维持顶管施工开挖面稳定,支护压力的设定必须小于被动极限支护压力。文章根据开挖面极限平衡,提出了超大直径泥水平衡顶管在粘性土中适用的开挖面被动极限支护压力计算方法。依照数值模拟计算方法,研究了超大直径顶管的被动破坏模式;再基于破坏模式,给出了被动极限支护压力的计算思路;对实际工程进行数值模拟并与所提方法进行对照,初步验证了所提方法的合理性;最后与其它理论方法进行了比较,并对提出方法的影响因素进行了分析。研究结果表明:水平圆柱体破坏模式为超大直径泥水平衡顶管的被动破坏模式,该被动模式与埋深无关;提出的方法具有合理性,而且计算过程相对简单,在实际工程中适用;水平圆柱体模式计算方法能够用于层状、均质粘性土中,应用条件是顶管开挖面只处在一个土层内;其得到的计算结果合理地低于其它方法,且偏安全;得到的被动极限支护压力随埋深直径比增大而增大,随内摩擦角和粘聚力的增大而增大。     

极小净距交叠隧道下行双线施工间距优化研究

针对极小净距交叠隧道受力复杂、爆破不易控制及支护困难等特点,文章以青岛地铁枣李区间隧道交叠段为研究对象,对下行隧道五种不同开挖间距进行数值模拟,分析了下行双线不同间距下地表及拱顶沉降分布特征。结合数值计算及理论分析对不同开挖间距下的围岩稳定性及施工经济性进行研究。结果表明:随着两平行隧道交错开挖间距的增大,隧道上方地表沉降、拱顶沉降和塑性区体积逐渐减小,但与此同时施工工期将会延长,工程支出相应增加,最终通过多指标综合判别确定出隧道左、右线交错开挖间距在25~35 m时较为合理。研究成果确保了极小净距交叠隧道施工的安全稳定及经济可行性,可为同类工程建设提供理论依据和实践经验。     

富水砂层中地下连续墙施工槽壁稳定性及变形研究分析

泥浆护壁是轨道交通车站围护结构地下连续墙成槽质量的关键所在。整体失稳及局部失稳是地下连续墙在富水砂层施工中的主要破坏形式。结合南昌轨道交通3号线柏岗站富水砂层地下连续墙施工实际,采用Plaxis软件建立模型,分析其成槽施工阶段的槽壁变形特征和稳定性,找出南昌地区富水砂层中地下连续墙槽壁变形及地表沉降的规律,印证了施工现场泥浆性能参数及土体应力变化的规律。     

盾构隧道开挖面被动极限支护压力的三维解析解

文章基于莫尔-库仑屈服准则,通过优化楔形块体的倾角并考虑土体粘聚力的影响,对现有的楔形块+倒棱台的土体破坏模型进行改进,建立了能够得到盾构隧道开挖面处于被动极限平衡状态下支护压力的三维计算模型;同时推导得出了相应的计算公式,并通过优化计算得到了开挖面处被动支护压力最小时楔形块体的倾角及极限支护压力;结合一算例,将所建模型的预测结果与经典的上限解进行了分析对比,验证了其合理性;最后探讨了土体内摩擦角、土体粘聚力、隧道上覆土厚度与隧道开挖面处被动极限压应力间的相互关系。研究结果表明:土体的粘聚力越大,开挖面处被动极限支护压应力越大,两者呈线性关系;土体的内摩擦角越大,被动极限支护压应力越大,且其变化速率也越快;随着隧道上覆土厚度的增加,被动极限支护压应力逐渐增加,且变化速率越来越快,两者之间近似呈指数函数关系。     

卵石地层地铁隧道近接施工位移特征研究

以北京地铁9号线某区间隧道近接既有铁路桥梁施工为背景,文章基于Hardening-soiJ本构模型采用三维数值计算与现场实测结果相对比的方式,研究卵石地层地铁隧道近接既有铁路桥施工的位移特征。研究得出的结论为:(1)卵石地层岩体较为松散,胶结性较差,围岩稳定性较低,可引入Hardening-soil模型模拟其应力-应变关系;(2)区间隧道开挖引发的竖向位移主要集中在隧道拱顶部位,并随着向地层深部的发展逐渐衰减;(3)地铁区间隧道施工引发的地表沉降可认为是两条单洞隧道地表沉降曲线的叠加,现场实测与数值计算得出的规律一致;(4)既有铁路桥结构最大位移值小于《铁路线路修理规则》的容许位移,现有开挖方式和支护参数满足既有结构安全运营条件;(5)地铁区间隧道开挖引发的地层、既有桥梁结构水平位移整体较小;(6)区间隧道开挖引起的土体扰动主要集中在隧道洞周5.4 m范围内。     

基于随机介质理论的基坑地表沉降计算方法研究

针对深基坑开挖及降水过程引起的地表沉降问题,文章引入随机介质理论中的地层损失概念,推导了基坑开挖引起的地表沉降计算公式,推导并改进了容重变化和渗透力变化引起的地表沉降公式,并考虑了支护结构-土界面摩阻力对沉降的影响,探讨了随机介质理论在基坑开挖计算中关键参数的确定问题,最后与文献[10]计算结果及实测地表沉降结果进行了对比分析。结果表明:本文计算方法得到的基坑周边地表沉降分布与实测沉降更为接近,能更准确地预估基坑开挖及降水引起的地表沉降;因考虑了土体的持水度和支护结构侧摩阻力的影响,在1.5倍开挖深度范围内的计算精度远高于传统方法,在基坑1.5倍开挖深度范围外的计算精度得到进一步提高;对于有支护结构并使用坑内降水的敞口基坑,应用本文计算方法预测地表沉降,能取得较好的效果。     

浅埋隧道开挖引起围岩及地表变形和应力释放特性浅析

通过数值仿真分析试验,分析了浅埋隧道开挖施工引起的隧洞围岩及地表的沉降变形和应力释放特性规律.试验结果表明,开挖后拱顶围岩沉降变形明显,为施工支护重点控制部位；隧道底部将发生隆起,并随着距离隧道中心线越远,隆起趋于平缓；开挖将引起地表沉降变形,随距离隧道中心线越远沉降越小；开挖引起围岩应力释放大约在3倍洞径左右.     

软土地层大断面矩形顶管施工引起切口前方地表隆起分析

文章以宁波地铁某车站出入口大断面矩形顶管工程为依托,对顶管推进过程中切口前方地面所产生的较大隆起进行研究。通过结合现场顶进的施工情况,对顶管整个顶进过程地表变形的监测数据进行分析。并采用PLAXIS有限元软件模拟不同顶推力和无土体加固情况下的顶管推进施工,与监测数据进行对比分析。结果表明:地表产生较大隆起是因为顶推力过大,当顶推力大时地表主要发生隆起,反之,地表主要发生沉降;在紧邻结构的顶管出入口处使用旋喷桩加固,效果并不理想,并造成了刚开始顶进地表即隆起的现象。在软土地层中顶管顶进挤压时地表隆起迅速,而顶推面过后的地表沉降缓慢,施工中要格外注意。     

水平、垂直节理发育条件下的隧道稳定性分析

文章依托内蒙古呼和浩特市窑沟隧道工程实例,对典型断面所在区段的节理特征参数进行了采集,得到了实际地层中存在的近水平、垂直发育节理的详细参数;通过综合运用现场监测、室内模型试验、数值模拟手段,分析了隧道开挖后的上覆岩层运动行为与结构受力特征,研究了该类地层中围岩的变形特征与失稳模式,为后续的支护设计及其优化提供了参考。研究结果表明,在窑沟隧道所处的典型地层,即近水平、垂直节理发育工况下:(1)无支护开挖时,地层稳定性极差,塌落区与松动区集中分布于拱顶上方,最大塌落高度为0.48倍洞宽,塌落面积为0.51倍断面面积,拱顶等效荷载为0.084 MPa,松动区延伸至地表,近似呈三角形分布;(2)按设计方案施作初期支护后,地层松动范围明显缩减,高度降为1.1倍洞宽,拱顶最大沉降为7.7 mm,边墙收敛为3.4 mm,结构安全储备足够。     

“土-岩”复合地层盾构始发井横通道开挖支护力学行为研究

结合长春地区特殊的"土-岩"复合地质情况,文章首先通过对横通道施工阶段地表及洞内沉降监测进行数据分析,总结出CRD工法施工过程中土层的沉降变形规律;然后采用有限元软件MIDAS/GTS分析横通道施工引起支护结构和上覆埋地管线的变形及受力情况,并与实测数据进行对比分析。结果表明:(1)1~4号导洞开挖对地表沉降贡献较大,占总沉降的74%;(2)掌子面开挖的影响范围约为其前后15 m;(3)初期支护中拱顶及底部仰拱Mises应力较大,且初期支护交接处均出现应力集中;(4)管线中部Mises应力最大,在距离中轴线约10 m的位置出现应力最低点。     

泥水盾构下穿已有隧道施工过程数值模拟研究

针对2010年上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线工程,进行了数值模拟研究。根据工程实际,土体采用Drucker-Prager弹塑性本构关系,建立了沿弯曲路径下穿几何特性复杂的已有隧道的三维非线性数值模型,通过施加开挖面泥水压力模拟了泥水盾构施工过程,采用Newton-Raphson方法进行非线性求解。比较了轴线地表沉降数值模拟计算结果与工程实测数据,表明模拟模型可靠、可信;分析了泥水盾构施工对周围土体及已有隧道的影响,得到了已有隧道的位移和应力的变化规律,可为实际工程提供参考。     

顶管施工中地表变形影响因素分析与控制措施探讨

顶管法作为一种非开挖技术,近年来在沿海发达城市管线敷设施工中得到广泛应用,但顶管施工中产生的施工应力和地层损失会导致地表变形。基于修正的Sagaseta公式,结合工程实例对地表横向、纵向沉降进行计算,分析了施工中顶管埋深、管线管径、纠偏角度对地表变形的影响规律;同时探讨了在实际施工时减小环境危害的施工控制措施。