盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力规律研究

本文首先对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行了分析研究，总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。其后，本文建立了能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用改模型，对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行了充分研究，其结论与现场实测规律一致，也证明了本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性；另外，也总结出了近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。通过对近间距盾构开挖问题进行模拟，揭示了后建盾构推进引起的超孔隙水压力场，以及由此产生土体固结沉降的空间不对称性。     

盾构刀盘形式对砂卵石地层扰动状态的影响

盾构刀盘形式的选择是砂卵石地层盾构掘进面临的关键问题。为解决这一问题,以兰州地铁1号线一期工程为背景,综合运用现场调查、实验室试验、三维离散元数值模拟、现场原位监测等方法,对砂卵石地层土压平衡盾构施工颗粒流动和地表沉降的机制进行了研究。1)通过室内大直径(300 mm)试样三轴压缩试验获得了砂卵石地层的应力-应变曲线,基于试验结果和EDEM离散元三轴数值试验,标定了离散元数值模拟需要的参数。2)基于Solidworks软件建立了面板式刀盘盾构和辐条式刀盘盾构三维机械模型。3)将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中,建立了砂卵石地层盾构掘进过程的三维离散元模型;将模拟结果与现场监测数据对比,揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层扰动状态和地表沉降的影响机制。面板式刀盘土压平衡盾构掘进,刀盘前方、上方的"强烈扰动区"范围为(0.3~0.5)D(D为刀盘直径);辐条式刀盘土压平衡盾构掘进的"强烈扰动区"范围不足面板式刀盘的1/3,且扰动程度轻。     

盾构隧道施工对既有铁路箱涵结构的影响研究

依托武汉地铁3号线盾构隧道下穿合武线铁路工程，采用三维数值计算方法模拟盾构施工全过程，分析盾构掘进对铁路箱涵结构变形及地表沉降的影响规律。研究结果表明:盾构施工导致既有箱涵结构产生以沉降为主的附加变形，沉降最大值出现在结构底板处；盾构掘进过程中，地表变形呈先隆起后沉降的规律，盾构开挖面到达分析断面前后各1倍洞径距离范围内地表变形波动较大；箱涵变形值随隧道埋深的增大呈减小趋势，当埋深增加到一定程度后，轨面沉降仍大于限制值，需采取合理的地层加固措施，以减小施工对既有结构的影响。     

基于流-固耦合的盾构隧道开挖面稳定性研究

利用FLAC3D建立三维数值模型,对考虑完全流-固耦合效应的盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟和验证,并进一步分析水位高度、渗流时间对开挖面变形、地表沉降和孔隙水压力的影响。研究表明:开挖面变形随支护压力比的减小经历3个阶段的变化,且与土体塑性区的发展密切相关;相比于无水状态,考虑流-固耦合效应的开挖面稳定性显著降低,随水位的升高、渗流时间的增大,开挖面发生失稳破坏的支护压力比明显增大;支护压力比(表征支护压力)的减小将导致开挖面前方一定范围的孔隙水压力减小,靠近开挖面的孔隙水压力受扰动程度加剧,形成"漏斗状"的影响区;开挖面失稳导致土体位移场延伸至地表,引起地表产生明显的沉降变形,在不同的变形阶段开挖面中心点位移与最大地表沉降分别呈抛物线相关和线性相关。     

瘦西湖超大直径盾构隧道施工对周边环境影响分析

大直径曲线盾构隧道中,盾构掘进时盾构对其两侧和拱顶上方的土体作用不同,不同位置土体表现出不同的变形规律。为了保证曲线盾构隧道施工安全进行,并针对变形的差异性提出相应的解决方案,采用现场监测和FLAC 3D数值模拟相结合的方法,对超大直径曲线盾构隧道施工中周边土体变形进行分析,监测项目包括地表沉降、分层沉降、土体深层水平位移。研究结果表明:1)随着隧道掘进,地表沉降呈现反"S"形变形趋势,与3个变形阶段对应,即盾构切口到达时缓慢隆沉,盾构通过时沉降较快,盾尾脱出时沉降趋于稳定;2)横向沉降槽曲线中,掘进时隧道掘进方向曲线内侧沉降量比外侧对称位置沉降更大;3)土体水平位移在隧道掘进方向曲线内侧变形量小于外侧变形量。     

基于纵向沉降曲线的黄土地层盾构土舱压力分析

为分析黄土地层盾构土舱压力设置问题,根据西安地铁4 号线区间盾构隧道施工过程建立盾构施工数值模型,基于对模型不同位置处地表沉降量的监测,通过将不同监测点的地表沉降曲线转换到同一坐标下进行对比,分析土舱压力对掌子面前方未开挖地层的影响,进而提出盾构土舱压力合理取值方法。研究结果表明: 1)盾构掘进对掌子面前方地层的扰动具有累积性,地层的变形具有滞后性,即盾构对掌子面前方地层挤压或支护不足时对掌子面前方地层的扰动会不断累积,表现为各监测断面的沉降曲线量值和分布规律不一致; 2)当土舱压力与地层土压力相平衡时,各监测断面的监测曲线基本相似,针对设置工况,土舱压力为0. 1 MPa 时,地表沉降曲线落在同一狭长区域内,即表明该值为与该地层相匹配的土舱压力值。     

软土地层双圆盾构掘进对周围土体扰动分析

双圆盾构具有断面形式特殊、开挖面积相对较大的特点,其推进将引起较大的地层扰动,而过大的土体扰动往往引发一系列环境病害。依托上海某双圆地铁隧道区间工程,构建三维弹塑性有限差分模型,计算分析双圆盾构掘进引起的地表位移场以及土体应力场分布,并将数值模型计算结果和现场监测数据进行对比验证。研究表明:双圆盾构施工引起的地表变形横向分布基本符合正态分布,影响区域主要集中在轴线两侧2倍盾构宽度范围内;切口到达时地表隆起,盾尾离开后,后方土体产生沉降,脱离20环左右地表纵向沉降逐渐趋于稳定;盾构掘进对下部土体的影响相对较小,盾构底部土压力增加最小,盾构中轴线上方土压力增量最大。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和前期指导。     

膨胀土地层泥水盾构停机时开挖面破坏原因及防治措施研究——以扬州瘦西湖隧道工程为例

为解决扬州瘦西湖隧道泥水盾构在膨胀性黏土地层停机时开挖面失稳和地面塌陷的问题,采用膨胀试验和崩解试验,研究下蜀黏土的膨胀特性和崩解特性。利用现场实测资料和数值模拟结果分析和论证膨胀性黏土地层停机时地表塌陷的原因： 泥浆持续渗透引起开挖面前方土体膨胀、崩解和剥落是导致开挖面失稳的原因; 开挖面的失稳过程可以分为4个阶段,分别是泥浆渗透阶段、开挖面前方土体膨胀崩解阶段和开挖面上方土体塌落阶段、塌落发展到地表形成地表塌陷阶段。提出控制盾构掘进参数、多次短停、适当提高泥水支护压力和适当增加泥浆密度、黏度等防止泥水盾构在膨胀性黏土地层停机时开挖面破坏的措施,并指导现场施工,取得较好的应用效果。     

盾构隧道开挖面涌水对地表沉降及管片内力的影响分析

土压平衡盾构在高水压砂层中掘进时,施工措施不当会使开挖面发生涌水涌砂险情,进而引起较大的地表沉降,土体下沉会使得管片严重变形,威胁施工人员的生命安全。以武汉地铁7号线小东门至武昌火车站盾构区间为研究背景,通过建立精细化数值模型,考虑水土流固耦合作用,研究土压平衡盾构在砂土层中掘进时开挖面涌水对地表沉降及管片和螺栓内力的影响。结果表明:开挖面涌水量与地表沉降呈线性关系,与管片螺栓内力呈非线性增长关系,较大的涌水量使隧道拱顶处发生严重的挤压变形,进而引起管片破损及螺栓屈服。因此,当开挖面发生涌水涌砂险情时,为防止地表严重下沉及管片破损,应尽快采取紧急措施减小涌水量。     

单线双洞盾构隧道掘进三维有限元分析

针对单线盾构隧道掘进的特点,考虑了材料和几何非线性的影响,基于大型有限元分析软件,建立了结构与围岩连成的三维弹塑性大变形计算分析模型,模拟了盾构机掘进的过程,得出盾构隧道掘进过程中周围土体的变形规律,地表沉降规律及既有右洞对左洞施工产生的影响。因此,本文的研究结果对单线盾构隧道的施工提供了科学依据和重要参考。     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力变化规律研究

对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行分析研究,总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。在国内外流固耦合计算调研基础上,建立能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用该模型对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行充分研究,其结论与现场实测规律一致,也证明本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性,并总结得出近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。     

渗流作用下盾构隧道地表变形规律研究

在泥水平衡盾构工法中，通常会用密封舱的泥浆来平衡开挖面的水土压力，从而达到控制地表变形的目的，因此，泥浆压力的选取十分关键。为了解决工程中泥浆压力的选取问题，采用理论分析方法，结合泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理，对泥浆在开挖面上的3种形态进行对比分析，结果表明，“渗透模型”在工程中广泛存在，且渗透作用会导致开挖面稳定性减弱。基于“渗透模型”,采用FLAC^3D软件进行流固耦合计算，结果显示，渗流作用下地表最大沉降随泥浆压力的增大而减小，当泥浆压力达到一定限值后(本工程背景下为400 kPa),地表最大沉降值不再减小，该研究解决了合理确定泥浆压力控制地表沉降的难题；通过分析盾构掘进过程中岩土体应力状态分区和地表沉降云图，构建了地表沉降范围预测模型，模型理论计算结果与数值模拟结果吻合良好，该模型可用于泥水盾构隧道施工引起的地表沉降范围预测。此外，在泥浆压力为400 kPa时，采用数值计算方法进行了泥浆渗漏计算，结果表明泥浆渗漏上边界距水库底面7.5 m,不会对保护区水体造成污染。该研究结果可为泥水平衡盾构施工中泥浆压力的选取、地面沉降范围的确定以及泥浆渗漏的影响这3个施...     

盾构下穿对既有铁路路基影响的模型试验研究

为研究盾构隧道开挖对既有铁路路基的影响，基于相似比理论建立室内大型试验模型，模拟盾构开挖扰动作用下周围土层及既有铁路路基的受力变形过程。结果表明:模型试验能较好地反映盾构下穿对土层及地表线路的影响；盾构隧道轴线方向各土层土压力变化较两侧明显，其中在一倍洞径范围内土体是受扰动影响的重点区域；模型试验中盾构下穿开挖导致既有线路沉降变形呈近似线性，若增加埋深，既有路基沉降速度及沉降量将大幅降低。建议在盾构施工前对既有铁路的下穿段路基进行加固，确保行车安全。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

类矩形盾构隧道下穿引起既有隧道竖向位移计算方法研究

为探究类矩形盾构隧道施工对既有隧道造成的影响,得到既有隧道竖向变形规律,基于随机介质理论并结合累积概率曲线计算土体损失造成的土体竖向位移,再通过转动错台协同变形模型计算既有隧道竖向位移;针对新建类矩形盾构隧道下穿既有隧道,以土体损失作为造成既有隧道沉降的唯一因素开展室内模型试验,并对拱顶位移进行施工全过程测量,将实测值与理论计算结果进行对比验证。研究结果表明： 1）理论计算结果与实测值较为吻合,证明了理论计算方法的可靠性; 2）类矩形盾构隧道下穿既有隧道造成既有隧道沉降的规律与圆形隧道一致; 3）由于土体损失,新建隧道下穿会导致既有隧道发生沉降,在新旧隧道投影交汇处的既有隧道拱顶变形最大; 4）既有隧道拱顶沉降变形随着开挖面的掘进逐渐增大,且存在一个快速变形的阶段。     

软土地层中盾构施工参数对地表沉降的影响研究

为了解决软土地层中盾构隧道施工参数对地表沉降的影响问题,通过对杭州某地铁区间盾构施工进行监测,分析软土地层地表沉降的一般规律,结合该区间盾构隧道施工,采用ABAQUS有限元软件分析了注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力等因素对地表沉降的影响。研究表明:土舱压力对地表沉降影响最大,注浆压力次之,浆液弹性模量的影响最小。地表沉降由土体塌陷沉降和土体固结沉降2部分组成,在盾构试掘进阶段对施工参数进行调整和优化,能较好地控制地表沉降。     

地铁盾构隧道施工引起地表沉降机制及数值分析

针对黄土地层中盾构施工引起地表沉降问题,通过理论分析和数值模拟方法,探讨了盾构隧道地表沉降机制,分析了盾构隧道地表沉降预测解析方法,研究了等代层模量与土舱压力对地表沉降槽宽度和最大沉降量的影响。研究表明:盾构隧道施工工艺中,土舱压力和等代层是主要影响地表沉降的因素,然而,盾构施工地表沉降预测方法中未考虑这两个因素的影响。土舱压力与等代层模量对地表最大沉降量影响较大,对地表沉降槽宽度和范围影响较小。在实际盾构隧道开挖施工过程中土舱压力应在0.8~1.2倍静止土压力之间,对地表最大沉降影响较小。研究成果对完善盾构施工地表沉降预测方法和施工工艺具有一定的理论价值。     

土压平衡盾构开挖面压力取值及对地表沉降的影响

土压平衡盾构广泛应用于地铁隧道施工中,其施工过程产生的地表沉降及相关问题直接影响隧道施工安全。以成都地铁3号线某区间盾构隧道工程为例,应用理论方法计算盾构开挖面压力取值范围。结合工程地质条件、施工参数、不同开挖面压力和地层损失率,利用嵌入了土应力路径本构模型的ABAQUS软件进行盾构开挖三维模拟,得到了卵石地层盾构施工引起的地表沉降规律,并通过与现场地表沉降监测结果对比,验证了此模型的合理性,确定了合理的开挖面压力取值范围。最后,进一步分析了实际盾构施工开挖面压力值与地表沉降值之间的规律,评价施工时设定的开挖面压力值的优劣。     

大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究

依托江苏江阴澄江西路过江隧道工程,对大直径泥水盾构施工对软土地层的扰动影响进行研究。主要研究方法及结论如下： 1）对盾构掘进中地表纵向沉降规律进行探讨,在前人研究的基础上对引起土体扰动的4个阶段进行验证,得出软土地层施工中不同阶段对土体扰动程度的比例。2）使用ABAQUS有限元软件,建立三维有限元模型,在数值计算中考虑土体非线性变形。通过数值模拟可知,横、纵、竖向位移趋势符合工程实况,最大沉降量与实测数据比较接近;增大上部土层的E,c,φ值可以有效地减小软土地层的沉降量,降低盾构施工对土体的扰动影响。从而论证了通过对土体表层注浆加固可以达到减小沉降,降低土体扰动的目的。