含气地层双线盾构地表沉降实测分析

研究目的:较之于非含气地层,在含气地层中进行双线盾构掘进诱发的地表沉降规律鲜有报道。为研究含气地层中进行双线盾构掘进诱发的地表沉降规律,首先对国内地铁建设地区浅层气的分布及成分进行系统总结,并依托杭州地铁7号线塘青区间段工程,对含气地层双线盾构施工进行持续地地表变形监测,总结含气地层双线盾构掘进引起的地表沉降规律。研究结论:(1)含气地层盾构掘进引发的地表沉降影响范围较大,地表沉降在盾构通过25 d后趋于稳定;(2)盾构在含气地层中掘进时,存在“三次扰动”效应;(3)含气土中存在“中间气压区”,导致土体排气不彻底,存在基质吸力,使先行线盾构掘进引发的沉降大于后行线;(4)含气地层盾构先行线地表沉降与土体损失率均大于后行线,与软土地区规律相异;(5)本研究成果对合理设置含气土地区盾构施工参数和控制地表变形具有参考作用。     

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。     

盾构推进过程中刀盘前方土体变形与应力特征研究

盾构法是城市地铁隧道施工的主要工法之一。盾构推进过程中不可避免地引起掌子面土体扰动,进而对盾构前方土体的稳定性产生较大影响,而目前对于盾构推进引起前方土体的位移与应力的研究较少。利用Mindlin解,基于盾构受力特点建立力学模型,推导掌子面前方地层变形与应力计算公式,并将工程实测值与理论计算值进行对比分析,得出盾构推进引起土体位移和应力的影响范围及影响程度。结果表明,掌子面前方土体变形主要受盾壳与土体之间的摩擦力影响,正面推力附加应力引起的变形较小,盾构推进对前方土体的应力主要由摩擦力引起。研究结果可为盾构现场施工控制提供理论和计算依据。     

类矩形盾构隧道开挖引发土体沉降解析解研究

类矩形盾构隧道施工可能会导致明显的土体沉降,并进一步影响周围既有建筑物的安全。基于Verruijt解和积分法推导得到类矩形盾构隧道开挖作用下的土体响应解析解,并充分考虑土体等量径向收缩、类矩形隧道竖向、水平向以及旋转位移4个变形分量的影响,以全面描述复杂施工或地层情况下类矩形盾构开挖引发的土体位移模式。利用实际工程实测数据验证解析解的有效性,并通过参数分析研究各个变形参数对地表土体沉降的影响。研究结果表明,解析理论计算结果与实测数据较为吻合,可较好地评估类矩形盾构引发的土体沉降,类矩形隧道的水平位移和旋转位移会使地表沉降呈现非对称形态,并会使最大地表沉降增大。     

砂卵石条件下盾构施工隧道地表沉降规律分析

按照盾构施工引起的地层扰动机理及变形特点,盾构施工隧道地面变形主要由盾构推进对周围土体扰动引起,根据盾构机所处位置将砂卵石地层盾构施工对周围地层的扰动分5个部分:盾构机到达之前的地面变形、盾构到达时地表变形、盾构机通过阶段的地表变形、管片脱出盾尾阶段的地标变形和地表后期固结阶段的变形。结合实际监测工程分析了各个变形阶段地表变形特点,探讨了影响地表沉降的主要因素。     

双线盾构扭矩分析及邻近管线变形影响研究

研究目的:为研究双线盾构隧道施工引起的管线横向及纵向变形规律,本文依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,采用适合杭州软土地区的土压平衡盾构刀盘扭矩计算方法,计算本工程对应的各种刀盘扭矩因子并得出最大理论扭矩值,将计算得到的刀盘扭矩因子与其他学者的研究成果进行对比分析,并研究盾构掘进时管线变形与刀盘扭矩的相关性。研究结论:(1)软土区双线盾构引起的管线横向变形在研究断面上呈现"W双峰"形状,且后行线施工引起的变形量大于先行线;(2)对于双线盾构施工引起的管线纵向变形,测得盾构接近时与刚通过时对管线变形影响较大,盾尾通过研究断面4 d左右纵向变形趋于稳定;(3)通过对比不同案例下刀盘扭矩计算因子得出影响盾构施工刀盘扭矩的主要因子是T_4与T_5;(4)分析得出管线变形与刀盘扭矩和单环排土量的比值呈现正相关的趋势;(5)本研究成果对控制杭州软土区双线盾构施工引起的管线变形具有参考价值。     

新建两并行盾构隧道下穿高铁隧道模型试验研究

为研究新建盾构隧道下穿施工对既有高铁隧道的不良影响，采用离心模型试验模拟两并行盾构隧道下穿高铁隧道开挖施工。研究了两并行盾构隧道下穿施工时既有高铁隧道结构内力、拱顶变形、拱底变形和地面沉降的变化规律，同时考虑高铁隧道沉降缝对其结构的影响。模拟研究表明：后行盾构隧道开挖引起的不利影响小于先行盾构隧道开挖引起的不利影响；对于无沉降缝的既有隧道，仰拱和拱顶纵向沉降分别呈U形和反U形；考虑沉降缝时，既有隧道拱顶、地面沉降值增加了100%以上，既有隧道最大纵向弯曲应变、剪应力减小了60%;沉降缝的存在不会改变高铁隧道的横向弯曲应变和变形趋势，但是在数值上会有所降低。     

盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工技术研究

成都地铁5号线为满足车辆调度需求,在九兴大道站小里程端采用左线盾构隧道与右线大断面浅埋暗挖隧道的双线并行布设方案,双洞净距2.9m。本文以该超小净距隧道为背景,采用数值模拟方法对隧道开挖时地表沉降规律及夹层土体应力状况进行了分析。结果表明,无论何种开挖次序,先行隧道的开挖均会导致后行洞开挖引起的地表沉降曲线向先行洞偏移并有所增大;由于左线小断面盾构隧道施工扰动理论上较小,因此先施工右线大断面浅埋暗挖隧道后再进行左线盾构隧道的施工顺序更为合理;先浅埋暗挖后盾构隧道施工造成的地表沉降值在两洞中间区域略小于先盾构后浅埋暗挖隧道施工;双线隧道通过后地表沉降槽呈现出"U"形状态,盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1/4;双线开挖过程中中间土体在浅埋暗挖隧道一侧受施工的影响更为明显,应重点关注。     

土压平衡式盾构施工中"理想状态土体"的探讨

提出了土压平衡式盾构施工"理想状态土体"的概念:较低的渗透性,相对适中的压缩性,较小的抗剪强度,一定的流动性.使用外加剂最好的效果就是使开挖下来的天然土体经过改良后接近"理想状态土体".应将盾构掘进中喷涌、结泥饼、开挖面失稳、排土不畅等因为土体性质不良导致的施工故障发生可能性降到最低.还对非理想状态土体引起的常见盾构施工问题进行了概述.通过理论和实践的研究,确立了评价理想状态土体的物理力学指标,并认为只要有效、有针对性地使用外加剂,将土体的物理力学性能调整到分析范围,可将施工难题控制在最小的发生概率之内.     

盾构掘进中富含超大粒径漂石地层土体改良技术研究

对于盾构工法而言,富含超大粒径漂石地层是一种施工控制难度极大的地层,盾构在该地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象。同时,由于土舱土体颗粒之间为点对点传力,支护压力不能有效地施加到开挖面,极易出现地表沉降超限、塌方等事故。通过土体改良改善土舱内土体的性状和流塑性,是提高盾构掘进效率和控制开挖面稳定性的重要措施。以北京地铁9号线06标"军事博物馆站—东钓鱼台站"区间盾构工程为背景,开展盾构掘进过程土体改良试验,找出适用于不同类型富含超大粒径漂石地层的盾构土体改良剂。     

盾构法施工引起的地层变位分析

研究目的:在城市隧道施工过程中,地层变位的大小往往成为决定施工成败的关键因素之一.通过对因施工引起地层原始应力状态改变、土体损失、管片衬砌变形等进行分析,合理设定盾构掘进参数,建立有效土压平衡,减小对地层的扰动和地层损失,保证施工质量.研究结论:以北京地铁4号线19标段盾构工程为例,对施工开挖造成地层原始应力状态改变、地层损失引起的地层位移进行了分析,并对施工现场进行监控量测.分析和量测数据验证,合理设定土压、同步注浆、掘进速度等掘进参数,建立有效的土压平衡,即可将各项变形控制在规定的范围内.     

深埋超小净距隧道近接施工力学特性研究

为探究中岩柱厚度小于2 m深埋超小净距隧道先行洞未施作二次衬砌时的近接施工力学特性,通过数值模拟、现场试验等方法,研究超小净距隧道近接施工围岩变形和支护结构受力特征。结果表明：(1)先行洞未施作二次衬砌时开挖后行洞,近接施工影响显著,因后行洞施工引起的先行洞围岩变形约占其总变形量的43%;后行洞开挖使得先行洞初支变形和内力呈现明显的偏压效应,即靠近中岩柱侧收敛变形和结构内力增幅远大于外侧。(2)初支钢拱架受力大致可分4个阶段：先行洞开挖影响段、中期稳定段、后行洞近接开挖影响段以及后期稳定段。施工过程中先行洞左右拱脚和仰拱部位存在较大拉应力,应重点关注。(3)先行洞仅施作初支情况下开挖后行洞,将初支变形和内力作为必测项目,可动态掌握其变化规律,及时采取控制措施,保障施工安全,避免后行洞爆破对先行洞二次衬砌造成结构损伤。     

盾构法施工引起的地层变位分析

研究目的：在城市隧道施工过程中，地层变位的大小往往成为决定施工成败的关键因素之一。通过对因施工引起地层原始应力状态改变、土体损失、管片衬砌变形等进行分析，合理设定盾构掘进参数，建立有效土压平衡，减小对地层的扰动和地层损失，保证施工质量。研究结论：以北京地铁4号线19标段盾构工程为例，对施工开挖造成地层原始应力状态改变、地层损失引起的地层位移进行了分析，并对施工现场进行监控量测。分析和量测数据验证，合理设定土压、同步注浆、掘进速度等掘进参数，建立有效的土压平衡，即可将各项变形控制在规定的范围内。     

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。     

基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算

在盾构掘进过程中,由于刀盘的挤压作用,土仓压力不等于掘进面土压力。为研究二者的关系,提出基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算方法。建立模拟盾构掘进的ANSYS三维模型,结合盾构前方土体(或构筑物)的实测变形数据,调用ANSYS优化分析模块计算盾构掘进面土压力。该方法的适用区域为:位移监测点位于主要受掘进面土压力挤压作用区域的土体内。以上海地铁7号线上行线隧道斜下穿既有地铁2号线下行线隧道盾构施工工程为例,采用该方法对掘进面土压力进行计算分析。结果表明:该方法在本工程中的适用范围为盾构掘进刀盘距既有隧道中心线6～18m的区域;掘进面土压力约为土仓压力的1.17倍。     

盾构与浅埋暗挖隧道并行近接施工模拟分析

盾构与浅埋暗挖隧道小净距并行施工是城市轨道交通建设中的难点,为更好地研究并行近接施工的力学效应,以某市轨道交通区间盾构与浅埋暗挖隧道并行为背景,采用数值分析软件建立模型,分"盾构先行"和"浅埋暗挖先行"两种情况,对施工产生的位移、土体应力及支护结构内力进行对比分析,为施工提供预判依据。     

饱和软黏土地基竖井施工扰动效应分析与评价

由于挤土效应,饱和软黏土地基中竖井施工会产生附加扰动,并导致井周土体强度与渗透系数降低。基于修正剑桥模型的屈服准则,应用圆柱形孔扩张理论对不排水圆孔扩张过程中土体应力状态进行分析。根据超静孔压和径向应力的分布规律,在确定了扰动区范围的基础上,提出一种修正的基于饱和软黏土灵敏度考虑的原位扰动函数FD,并结合已有文献中室内模型试验与现场竖井施工扰动引起的固结指标变化规律的结果,验证了修正的原位扰动函数的合理性。施工扰动的合理评价有助于准确计算竖井地基的固结沉降。     

盾构施工对土体应力扰动过程的三维数值分析

基于比奥固结理论,应用ABAQUS软件,建立了包括盾构管片、注浆层、注浆压力、开挖面推力等参数的盾构施工三维有限元计算模型,并对模型进行了验证.采用分步开挖的方法模拟盾构施工对周围土体的应力扰动过程,计算并分析了主应力大小、方向以及孔隙水压力等参数,分析结果表明:盾构施工对周围不同区域土体有加载或卸载作用,从而产生正的或负的超孔压;在土层渗透系数较小时,盾构施工之后土体中仍存在较大的超孔压,造成土体长期固结变形,使管片荷载随时间增大;采用三维流固耦合有限元计算方法可合理模拟含水地层的盾构施工过程.     

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象;由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点,使支护压力不能有效施加到开挖面上,极易出现地表沉降超限、塌方等事故.为此,以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫十膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的;在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况,及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数;在确保盾构出土量可控的前提下,采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率.     

地铁盾构隧道侧穿高铁桥群桩设置隔离桩影响分析

结合某盾构隧道侧穿高铁桥群桩基础,研究了盾构隧道侧穿高铁桥桩施工过程中对群桩的影响.通过采取隔离桩措施降低对群桩的影响,对隔离桩设置范围、位置和深度等进行了对比计算分析,得出如下结论:1)当群桩基础与隧道轴线存在夹角时,桩基和承台产生不均匀沉降,承台刚度会影响群桩的变形;距离盾构隧道近的基桩和承台位置一般为沉降变形,越近的基桩变形越大;远侧由于群桩作用效应和承台刚度影响,局部可能会产生隆起变形,应特别关注不均匀变形的影响.2)基桩变形最不利位置位于盾构隧道底部以上部位,而在底部以下基桩变形普遍较小.因此,采取土体改良措施时应主要针对盾构底部以上部分土体.3)采取隔离桩措施能降低盾构隧道施工对高铁桥桩的影响达40％以上,对桥桩起到很好的保护作用.4)隔离桩最优设置范围为桩基垂直于隧道轴线投影范围以外1.0D～1.5D(D为隧道直径),超出1.5D范围的隔离桩作用不大.5)从设置隔离桩改善既有桥桩的变形考虑,隔离桩的设置应尽量靠近后施工隧道,这样对既有高铁桥基础的影响会减少,而且隔离桩自身施工对既有桥桩的影响也会减少.6)隔离桩深度宜取隧道底部以下l～3m,在此范围内按需设置,效果最优,也最经济.