土体参数对盾构隧道衬砌与土体共同作用影响分析

为了解决在盾构隧道结构分析中土与结构共同作用如何有效考虑的问题,借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,基于数值分析的方法建立土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。针对侧压力系数和土体刚度展开参数分析,研究结果表明:1)随着侧压力系数和土体刚度的减小,衬砌椭圆化变形增加,同时衬砌拱顶弯矩增加,纵向接头的相对转动主导了衬砌的椭圆化变形;2)随着侧压力系数的增加,土体高应力分布区由拱顶月牙形朝环周均匀分布转变,拱腰侧低应力区逐渐消失,同时隧道椭圆化变形趋于0;3)土体刚度对土体应力分布改变影响较小,但随着土层刚度的增加,衬砌环周应力条件被明显改善,拱顶的椭圆化荷载同样有朝环周均布荷载转变的趋势。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

富水盾构隧道地表固结沉降及控制措施研究

依托某城市富水盾构隧道,通过数值模拟,研究地表沉降控制措施,结果表明:富水地层中地表固结沉降占比较高,计算需考虑渗流。考虑渗流下,结构受力变形有不同程度提高;隧道四周剪切塑性区增大。围岩孔压在拱腰聚集,开挖后地下水指向内空,管片注浆后,地下水沿衬砌背后向下渗流;盾尾注浆会改善盾壳受力及不均匀性。考虑渗流,管片变形及弯矩由拱顶、拱底向拱底（变形）和拱顶（弯矩）转移;增大注浆圈为较实用措施。     

煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

超大直径水下盾构隧道近接施工力学行为分析

为探明海域复合地层条件下,水下超大直径盾构公路隧道近距离开挖对既有隧道的影响,文中以珠海横琴马骝洲交通隧道为研究背景,采用数值计算和现场试验相结合的方法,得到了由盾构施工引起的既有隧道附加内力及变形变化规律。分析数据可知:盾构施工会引起管片的二次附加内力,拱顶弯矩和拱底轴力受隧道开挖的影响程度较大;由开挖引起地表沉降影响范围约为5倍隧道洞径,盾构在近距离施工产生的荷载对既有隧道有挤压变形的效果,两侧拱腰会随着隧道掘进而逐渐向内产生二次收敛变形。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

异形盾构施工注浆工况下衬砌结构受力分析与荷载设置

为更加精细化地指导大断面异形盾构隧道施工注浆荷载下的结构设计工作,依托宁波地铁3号线类矩形盾构隧道工程,探索施工荷载注浆工况下衬砌结构的受力特征,研究同步注浆填充阶段真实的浆液扩散过程及其压力分布规律,针对既有设计模型中注浆工况下的荷载施加模式、注浆填充扩散压力分布计算模型以及特殊工况下的实际受荷情况进行综合分析。结果表明： 按注浆填充扩散压力分析的结构受力较为均匀,而既有设计模型注浆工况和特殊条件下的荷载分布会使得管片结构受力更加不利,建议在类矩形盾构衬砌结构注浆工况设计模型中考虑浆液环向填充扩散机制对应的结构受力模式为基础,在拱顶、拱肩、拱腰及拱底处分别叠加100、150、200、250 kPa的分布压力较为合适。     

叠落式暗挖与盾构隧道施工的变形控制

叠落隧道施工会对地层产生多次扰动,较之单线隧道地层变形机制更加复杂,对变形的准确预测并采取可靠的控制措施是隧道安全施工的重要保证。依托某地铁区间叠落式暗挖与盾构隧道工程,首先采用数值模拟分析了叠落式暗挖与盾构隧道地层变形特性;根据数值分析的结果从地层超前加固、开挖方法、支护结构等方面制订了地层变形的控制措施,使地层变形在控制标准范围内;实际施工中采用给出的控制措施来控制地层变形,保证了工程施工安全,取得了较好的实施效果,并通过现场试验对此进行了验证。研究结果表明:暗挖隧道(上行)施工产生的地表沉降明显大于盾构隧道(下行)开挖,两洞施工结束后的地表沉降最大值位于暗挖隧道拱顶上方;对本工程不同开挖顺序产生的地表变形而言,"先上后下"施工产生的地表最大沉降值及沉降影响范围均大于"先下后上"施工,工程实际中可采用"先下后上"的施工顺序;监测数据表明将暗挖隧道作为地层变形控制重点,通过对暗挖隧道采取超前注浆,可有效控制地表变形,减小两隧道开挖的地表影响范围,说明在暗挖隧道中采用超前注浆可作为叠落式暗挖与盾构隧道修建过程中的重要安全控制措施。研究结果可为类似隧道工程的设计、施工提供一定参考。     

软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构影响分析

针对隧道中先浇筑主洞衬砌结构后进行横洞开挖的施工工序中横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏的影响,以某软岩隧道为工程依托,通过隧道衬砌应力监测、初支结构形变监测以及横洞施工时主洞衬砌结构形变破坏的监测,对深埋软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏影响进行了研究与分析。研究表明,隧道交叉段围岩形变量较大,围岩形变速率较大,最大水平收敛位移达到537mm。最大拱顶下沉值达到346.1mm,围岩形变速率平均值达到9.93mm/d;依托工程隧道衬砌为主要受力结构,受力随着时间呈逐渐增大趋势。局部位置处形成应力集中区,应力值达到1.13 MPa和1.03 MPa。衬砌混凝土在左拱脚与右拱腰位置处呈现受压状态,最大压应力值为0.889 MPa。拱顶呈受拉状态,最大拉应力值为6.45 MPa。深埋软岩隧道中的横洞施工对主洞衬砌结构的形变破损有着较为严重的影响,影响范围达到140m。在此软岩隧道中不宜采用先浇筑主洞衬砌结构后对横洞进行爆破开挖的施工工法。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

软土深部盾构开挖地层损失率对软土土拱效应的影响分析

盾构在软土深部地层进行主动开挖时,开挖所采取的地层损失率差异,会使得深部地层土体产生不同的位移以及应力变化,从而对软土深部地层的主动土拱效应产生差异影响。通过调整计算模型中的主动开挖土体范围,设定7种不同的地层损失率,建立地层损失与软土主动土拱效应比例之间的对应关系。通过分析可得： 1）盾构在4倍直径埋深条件下进行主动开挖时,在隧道上方1~2倍直径范围内形成主动土拱作用区域; 2）主动开挖所采取的地层损失率越大,开挖后拱顶处所受到的主动土压力荷载越小,土拱效应发挥越充分,且当地层损失率到达一定值时,盾构开挖所产生的主动土拱效应比例逐渐趋近于稳定临界值。     

地铁隧道衬砌施工力学行为的数值模拟

地表沉降和隧道衬砌有着极大的关系。为了更好的了解隧道衬砌对地表变形的影响以及其受力状态,采用有限元法,运用ABAQUS有限元分析软件分别对有、无衬砌时地表位移的变化以及衬砌的应力、变形进行了分析,通过两种情况的对比,得出衬砌有效地减小了地表沉降和水平位移,大大缩小了开挖面对土体的影响范围。由于土的作用,使衬砌主要承受压应力,其两侧拱腰处应力最大。     

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

极软岩隧道横洞开挖空间力学效应研究

为研究极软岩隧道车行横洞交叉段施工力学特性,以大梁山特长公路隧道V级极软围岩段为依托,采用现场试验结合数值模拟试验分析其空间效应。研究断面现场监测结果表明:6个断面在深度为1 m、2m和3 m处内部围岩位移受横洞开挖影响较小,可忽略不计。拱腰和拱脚处钢支撑内力在横洞开挖后小幅增大,影响区集中于拱腰及以下部位,对拱顶部位影响较小。远离横洞侧拱脚、拱腰及拱顶处围岩压力与层间压力所受开挖影响很小,而近横洞侧拱腰处影响相对较大,在施工中应值得注意。数值试验结果表明,混凝土应力受横洞开挖影响主要表现为压应力增大,产生压应力增大区;围岩塑性区在开挖前有一定程度增大和区域改变,锚杆轴应力施工前后变化不大。     

富水地层重叠隧道施工结构及地层变形分析

为解决重叠隧道在富水地层中施工时,开挖应力释放引起地层变形和渗流引起工后变形对隧道结构及周边建筑造成的不利影响,以深圳地铁某区段重叠隧道矿山法施工为背景,采用现场监测的方法对重叠隧道富水地层施工中隧道结构及周边土体的变形规律进行分析。研究表明,下洞施工沉降和工后沉降均较大,下洞变形稳定后施工上洞有利于上洞结构的稳定性,并验证了重叠隧道采用“先下后上”的施工顺序有利于保证结构的整体稳定性。在地下水渗流作用下,重叠隧道中段出现了地表沉降大于拱顶沉降的现象,同时造成下线隧道工后沉降极大,渗流和开挖应力释放是地层变形的主要原因。研究结果对同类地层条件下的重叠隧道施工具有参考价值。     

基坑工程明挖对下卧软土公路隧道的影响分析

软土地区公路隧道受上方开挖卸荷作用产生受力变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。提出了基坑开挖引起下卧盾构隧道横向响应的简化计算模型,假设隧道横断面上下方土体抗力的分布形式为不相等的三角形分布,利用力法求解了隧道横断面变形与内力。通过有限元分析验证解析模型的可靠性,并分析了地基基床系数、隧道半径及隧道衬砌厚度等因素对隧道横断面响应的影响。研究表明：隧道拱顶土体基床系数变化对隧道衬砌附加内力有较大影响;隧道变形主要受衬砌厚度与隧道外径的比值影响,而衬砌附加内力则主要与隧道外径相关。     

软弱隧道围岩拱顶塌方模型试验及其数值模拟

在软弱岩体中修建隧道,塌方是常见的事故之一,严重威胁施工人员安全、阻碍施工进度,从而增加工程投资成本。以Ⅳ级围岩为研究对象,采用模型试验和数值模拟手段对软弱岩体拱顶塌方破坏机理开展了研究,并得出结论,隧道开挖后,软弱围岩塌落破坏成拱,表明围岩具有一定的自承能力;随着隧道开挖的进行,围岩应力重分布呈现出阶段性特征,拱顶上方约一倍洞径高度范围内的围岩受扰动明显,是施工应重点加强支护的区域;隧道塌方破坏会引起地层的位移,故在施工中应对地层活动进行实时监控量测,并以此为依据反馈指导设计和施工。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

隧道交叠段变形规律及支护应力研究

新建隧道下穿既有隧道时,交替开挖工序可能会对既有隧道产生不利影响,文中以某公路隧道交叠段为对象,对新建隧道开挖进行全过程数值模拟,分析开挖过程对既有隧道底板变形的影响,同时考虑交叠段隧道结构之间相互作用关系,分析新建隧道支护应力及围岩变形。结果表明,新建隧道开挖后,竖向位移最大值出现两主洞隧道拱顶部位,水平位移最大值出现主洞左、右边墙部位,主洞左、右边墙角部位可能出现局部拉裂破坏,既有隧道底板沉降最大值出现在新建隧道主洞顶部上方。