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。     

双线地铁隧道泥水及土压平衡盾构施工地层变形特征研究

为分析圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层变形特征，以南宁地铁3号线东葛路站-滨湖路站区间盾构施工工程为背景，采用现场监测数据分析2种盾构施工时的地表横向沉降特征和监测点纵向沉降历程特征。利用FLAC3D软件对2种盾构工法进行简化模拟，验证模拟方法的可行性； 设计双线地铁隧道分别采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构、全部采用泥水平衡盾构、全部采用土压平衡盾构3种工况的模拟方案，研究3种工况下的地层变形特征。研究结果表明： 1)双线地铁隧道采用2种类型盾构施工时，地层沉降曲线偏向土压平衡盾构施工的隧道一侧； 采用同种类型盾构施工时，地层距离隧道越近，沉降曲线呈“W”特征越明显； 2)双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时各地层沉降较大，地表横向沉降影响范围约50 m； 采用泥水平衡盾构施工时各地层沉降相对较小，地表横向沉降影响范围约30 m； 3)3种工况下，双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时引起的地表水平位移最大。     

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。     

杭州地铁交叉重叠隧道盾构施工地表沉降三维数值分析

以杭州地铁1号线文艮盾构区间的左、右线交叉重叠区间隧道为研究对象,采用有限差分软件FLAC3D模拟先上后下和先下后上2种施工工况引起的地表沉降和隧道上浮下沉情况,通过分析比较2种施工工况对地表沉降横向影响范围、地表沉降的极值、先上后下施工上部隧道最终下沉量和先下后上施工下部隧道的最终上浮量,确定交叉重叠隧道先下后上的施工工况。     

盾构隧道施工引起的土层分层沉降规律实测研究

为了获得北京地区盾构隧道施工引起地层位移的实测资料,并分析不同布置下双线盾构隧道引起的沉降特征,以北京地铁8号线二期工程为依托,分别在双线盾构区间隧道的平行段和交叠段设置分层沉降监测断面,研究盾构施工引起的不同深度处地层沉降规律。分析表明:北京典型地层不同深度的沉降槽曲线可用高斯分布来描述,沉降槽宽度随深度的增加不断减小;不同深度处,盾构到达监测断面前、超过监测断面1倍埋深距离、后期沉降这3部分大致各占总沉降的1/3;对于双线交叠盾构隧道,当先开挖下面的隧道再掘进上面的隧道时,沉降槽整体变深;北京典型地层条件下(地下水位以上),不同深度处沉降槽对应的地层损失率基本不变;施工中,盾构停机会使地层损失率和沉降量明显增大。     

基于应力释放的盾构隧道开挖地表沉降分析

以沈阳地铁1号线隧道为例，利用有限元方法研究盾构施工引起的横向地表沉降问题。引入地层损失和地应力释放的概念，分别在不同地层损失率、不同地应力释放率条件下，建立有限元模型进行计算。根据实际施工时监测到的地表沉降值与有限元模拟的地表沉降值进行比较，发现地表沉降值与地层损失率和地应力释放率成正比，〖ＪＰ＋１〗并通过最大地表沉降值的对比确定了该路段施工引起的地层损失率为1.747%，引起的地应力释放率为74.071%。利用同样的方法，确定了10座城市隧道开挖过程中引起的地层损失率区间为0.5%~2%、地应力释放率区间为60%~80%，并将地层损失率为1.747%和地应力释放率为74.071%时的衬砌混凝土管片处的最大弯矩与无地层损失、无地应力释放率模型管片处的最大弯矩值进行对比，可以发现最大弯矩值有明显的减小，分别减小了76.16%和71.82%。且2种方法得到的弯矩值非常接近，可以认为地层损失率模型和地应力释放率模型是等效的。     

双孔隧道中后掘进盾构对地表沉降的影响

受地下空间限制,城市地铁双线隧道间净距较小,后掘进盾构隧道施工将引发地层二次扰动,导致额外地层变形,对临近构筑物安全威胁尤甚。当前研究主要基于地表横向沉降曲线研究双线隧道掘进引起地表的沉降规律和地层扰动特点,但地表横向沉降曲线不能全面反映前、后掘进盾构隧道施工引起的地表沉降发展过程及规律。以杭州地铁某区间双线盾构隧道地表沉降长期监测数据为依托,采用地表沉降时程曲线和地表横向沉降曲线相结合的方法,分析双线盾构隧道前、后掘进引起的地表沉降规律。研究表明,后掘进隧道引起的土体损失率在0.6%～0.8%之间,地表最大沉降量在15.2～20.7 mm之间,均大于先行隧道引起的土体损失率和地表最大沉降量;由于后掘进盾构对地层的二次扰动,导致最终地表沉降槽曲线并不严格关于双线隧道轴线中点对称分布,地表沉降最大值略微偏向后掘进隧道轴线。通过地表沉降时程曲线发现,先行盾构通过监测断面后,地表沉降迅速发展,主要沉降范围在隧道轴线6 m范围内;由于先行盾构隧道掘进扰动,在后掘进盾构到达前2天(约3倍盾构直径距离)地表开始发生明显的沉降;在后掘进盾构施工影响下,所引起其轴线处地表沉降量大于先行掘进盾构所对应的轴线处沉降值。     

复合地层盾构施工过程地表沉降时滞特性现场实测研究

该文以北京地铁10号线某区间隧道为背景,在隧道工程沿线设置了大量沉降观测点,实时监测取得了盾构隧道施工过程地表沉降数据并结合国内外盾构施工土体沉降的理论,研究复合地层条件下盾构施工引起的地表沉降的基本规律及其时滞特性。结果表明:无论粘土地层还是砂砾地层,地表沉降均经历快速沉降、缓慢沉降、沉降稳定三个变性阶段且沉降具有明显时滞特性;相比较而言,砂砾地层较之粘土地层变形稳定更长、时滞特性更加显著。研究成果为工程实际采用,对工程施工参数的确定乃至工程区域环境风险预控起到了良好的借鉴作用。     

狮子洋隧道陆地段盾构施工横向地表沉降研究

为了预测盾构隧道施工引起的地表横向沉降,针对狮子洋隧道陆地段DIK42+660断面地层,通过理论分析,利用Peck公式对该断面地表横向沉降量进行计算;通过数值模拟,利用ANSYS建立地层的有限元模型,并从数值模拟结果中获取地表单元的横向沉降量;最后通过与现场监测结果对比,对理论分析和数值模拟的地表横向沉降量预测方法进行评价。研究结果可为盾构隧道地表沉降的预测提供有效的方法。     

盾构施工影响下砂土地层变形规律模型试验研究

为了研究盾构施工影响下隧道埋深、地层损失率、颗粒级配对砂土地层变形规律的影响,设计由试验模型箱、隧道开挖模拟装置以及非接触试验监测系统组成的模型试验系统,利用该试验系统对10种试验工况进行研究。试验模型箱是由钢化玻璃板、底部钢板以及刚框架组合而成的开口箱体,砂性地层采用完全烘干的砂土来制作,盾构开挖过程通过一种能够精确控制地层损失率大小的小型圆筒状传动装置来模拟,试验过程中的地层变化利用视频测量系统进行监测。研究结果表明：随着隧道埋深增加,土体扰动范围逐渐向两侧扩展,地表最大沉降值逐渐减小;当隧道埋深临近土拱形成深度时,沉降槽宽度显著增加,隧道上方核心沉降区逐渐减小。地层损失率与沉降槽宽度之间存在明显的线性关系。砂土粒径越大,地表最大沉降值越小,沉降槽宽度越大;当最大粒径与最小粒径比一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着砂土粒径的增大而减小;当最大粒径一定时,地层沉降范围内的最大沉降量随着粒径范围的增大而增大。不同隧道埋深、地层损失率和砂土颗粒级配下的地表沉降曲线均具有类似高斯分布函数的形态特征,向隧道中线处急剧下降,向远处逐渐变缓,与地层变形规律相似。     

盾构慢速掘进（停机）沉降影响因素及控制措施探讨

分析和探究软土地层中盾构掘进施工对地面沉降的影响因素以及对沉降进行准确预测,能够为土压（泥水）平衡盾构在不同软土地层中的掘进参数优化和沉降控制提供理论依据。以盾构慢速掘进（停机）工程实例为研究对象,采用理论解析解和三维数值模拟2种方法,计算单纯由盾构施工引起的理论地面沉降量,并与南京宁和城际一期工程新梗街站-天保路站（2号盾构井）区间施工过程中盾构停机时的实际监测数据进行比对总结,从量值差异探究盾构施工引起地面沉降的主要影响因素。分析结果表明,盾构施工工艺参数、超孔隙水压力消散和地层损失是影响盾构施工中地面沉降的主控因素。通过优化施工参数,并采取经济可靠的超前地基处理措施,能较大程度地减小盾构掘进对地面沉降的影响。     

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。     

软硬不均地层盾构技术的思考

软硬不均地层盾构施工难题一直考验着工程技术人员的智慧,业界为此付出的代价频现报端。文章以发展的眼光,梳理了国内盾构在软硬不均地层施工的曲折历程。从什么是软硬不均地层、软硬不均地层盾构施工所面临的问题、软硬不均地层为什么易发生掌子面坍塌入手,引出了国内软硬不均地层盾构技术发展,详细阐述了深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害,提出了新形势下软硬不均地层盾构技术的思考。主要结论如下： 以盾构装备技术发展实现软硬不均地层顺利掘进,而不再进行预处理,符合科技进步规律与社会发展要求。     

软土地区盾构下穿施工对铁路路基影响分析——以杭州地铁2号线某区间现场监测为例

盾构隧道下穿施工,将对既有铁路路基产生一系列不利的影响。当盾构引起的路基位移超过承载能力,将导致铁路轨道产生过大的弯曲及扭曲变形,从而影响列车运行的平顺性和安全性。结合杭州地铁2号线某区间隧道下穿既有铁路路基工程现场监测数据,分析在盾构下穿施工过程中列车轨道、路基坡脚及路肩的位移变化规律。实测结果发现： 1）监测点沉降变化与盾构的相对位置密切相关,可划分为盾构到达前、盾构穿越及盾构通过3个阶段; 2）盾构到达前,当盾构土压力大于静止侧向土压力将引起地表隆起,反之,则产生地表沉降; 3）盾构穿越过程中将导致地表隆起位移; 4）盾构通过后,地表沉降持续发展。由于碎石路基具有一定的调节作用,使路肩隆起值小于坡脚。铁路轨道隆起整体小于同一平面路肩,是因为具有一定抗弯刚度的轨道对土体位移有一定的抵抗能力。     

郑州地铁盾构隧道下穿加油站的沉降分析

郑州地铁1号线03区间盾构施工需下穿一加油站,该加油站平行布置3个尺寸相同的埋地储油罐,总容积为150 m3,属一级加油站。3个储油罐与左线盾构隧道的竖向净距为7.0 m,水平净距为2.7 m,该加油站属Ⅰ级风险源。为保证盾构施工的安全,提出针对性的盾构掘进控制措施,采用ANSYS通用有限元软件对盾构施工下穿加油站引起的沉降进行数值模拟,计算得到的地表最大累计沉降和倾斜率均未达到监测报警值;因此,加油站在盾构施工时可以正常营业。为了保证盾构的安全推进,提出2盾构的推进间距距离、土舱压力、同步注浆压力等控制措施。盾构掘进过程中的地表和建(构)筑物的监测结果表明:地表和建(构)筑物的最大累计沉降和沉降速率均未达到监测报警值,盾构已经安全穿越加油站,文章提出的盾构掘进措施和研究方法可为类似工程提供参考。     

建筑密集地区浅埋双线铁路隧道施工变形控制技术

以龙厦铁路石桥头隧道Ⅴ级围岩浅埋段为例,在分析、计算地层损失及其诱发的地表变形、埋深对地表变形的影响规律的基础上,对浅埋段地表变形控制等级进行了划分,进而针对地表变形控制等级的不同采用了相应的工法和措施,从而达到了在控制地表变形的基础上提高施工进度的目的。     

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。