广州地铁岩溶区盾构施工地层变形特性研究

以在建广州地铁盾构穿越岩溶填充区为依托,采用FLAC3D三维数值模拟程序,研究盾构施工力学行为,总结穿越岩溶填充区过程中围岩和管片变形特性。结果表明:围岩变形主要集中在岩溶填充区范围内,其位移明显要大于周围岩土体,特别是地质界面处前后2 m范围内,容易导致管片错位破坏,因此要加强设计参数;掌子面挤出变形基本上下对称分布,主要影响范围是掌子面前方6 m,其地层加固有效距离为6 m;盾构穿越地层发生变化时,管片纵向不均匀变形相当明显,主要表现为竖向位移,管片主要承受竖向力的作用,其力学行为表现为仰拱和拱顶向内弯折,而两侧变形向外弯折,应进行不对称配筋设计,以利于结构的安全性和经济性。     

砂卵石地层盾构多次下穿连拱桥稳定性分析

研究目的:砂卵石地层具有显著的弱胶结、高灵敏度、受扰动后自稳能力差等特点,在类似于这样的砂卵石地层进行盾构小净距多次下穿连拱砖桥的相关工程案例和研究较少。本文以成都地铁5、6号线隧道多次盾构下穿连拱桥为工程背景,运用三维有限元法分析砂卵石地层盾构隧道近接施工对连拱桥结构位移和内力的影响,并与地层注浆加固工况进行计算结果对比分析,从而为砂卵石地层盾构隧道修建技术提供理论指导。研究结论:(1)未经加固连拱桥在盾构多次近距离下穿下产生了较大的竖向、横向位移,最大位移值分别为3.92 mm和0.52 mm;桥墩的不均匀沉降及盾构隧道施工会引起拱桥结构的轴力、剪力和弯矩发生变化,拱桥内力最大值均出现在拱脚处;(2)对连拱桥基底及隧道周围地层进行注浆加固后,能够显著减小连拱桥的整体位移,桥体最大竖向、横向位移分别为2.96 mm和0.39 mm,比无加固工况减小了24.5%和25.0%,同时隧道多次下穿连拱桥对拱圈内力的影响也得到了控制,桥体拱圈轴力和剪力变化较小,弯矩值显著减小,降低了13.1%;(3)该注浆加固方法能够确保盾构隧道修建时连拱桥结构的运营安全,研究成果可为砂卵石地层盾构隧道修建技术提供理论指导。     

基于离散元数值模拟的砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性研究

砂卵石地层由大量颗粒组成,其本质是离散的、非连续的,属于典型的不稳定地层,颗粒之间孔隙大,无黏聚力,单轴抗压强度普遍较高,刀盘旋转切削时,刀盘与颗粒摩擦非常剧烈,刀盘磨损严重。为研究砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性,依托兰州市轨道交通1号线,采用颗粒流离散元软件EDEM,研究不同刀盘形式和覆土厚度下盾构机刀具磨损特性。结果表明,刀具磨损不均匀,主要体现在刀盘外围刀具磨损严重,中心处刀具磨损较小。相同掘进参数条件下,辐条式刀盘磨损较小,为面板式的0.7~0.8倍;覆土1.5D(D为盾构机外径)时刀具磨损量约为覆土1 D时的1.15倍。     

富水砂卵石地层盾构施工引起地面塌陷的原因及建议

通过成都地铁某车站端头盾构始发掘进后引起地面塌陷的典型实例,分析富水砂卵石地层中盾构施工引起地面塌陷的原因,如对地质情况不了解、出土量超方、盾构机故障、围岩加固不及时等,阐述事故的处理过程、总结富水砂卵石地层盾构掘进的控制参数,以及在工程地质地下管线、应急处置、信息化监控管理、盾构掘进控制等方面的管理措施,为类似工程提供参考.     

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。     

湿陷性黄土地区新建地铁对既有结构影响研究

研究目的:为研究湿陷性黄土地区隧道施工对临近既有隧道的影响,本文通过开展室内土工离心模型试验,采用控制新建盾构隧道拱顶下沉量的方法模拟隧道施工造成的地层损失量,并考虑新建隧道与既有隧道之间的间距,设置多组工况研究既有地铁隧道仰拱最大竖向位移以及围岩压力变化规律。研究结论:(1)既有隧道仰拱最大竖向位移随着地层损失率的增大及隧道净距的减小均呈线性增加规律,据此提出单线盾构穿越过程中新建隧道拱顶沉降控制标准:净距0. 5D、0. 4D、0. 3D、0. 2D工况分别为25 mm、19 mm、14. 5 mm、12. 6 mm;(2)既有隧道仰拱处比拱腰及拱顶处围岩压力减小明显,新建盾构隧道上部围岩压力有变大的趋势,新建隧道上部一定高度范围内的土层形成了拱效应;(3)研究结果与既有地铁结构仰拱实测数据进行分析对比以及优化拟合公式可为湿陷性黄土地区类似工程提供预测曲线。     

富水砂卵石地层盾构隧道微扰动施工关键技术

基于近年来富水砂卵石地层中盾构隧道工程遇到的典型问题,对开挖面平衡与盾构掘进、管片拼装、隧道上浮与隧道轴线控制、刀具检修以及风险源加固等方面进行研究。结果表明:螺旋排土—泥膜支护理念兼具泥水盾构开挖面稳定与土压盾构排土简便的特点,可实现保压掘进和微扰动施工控制;基于盾构掘进总推力分析,明确了盾壳摩阻力的影响及减摩措施,进而改善盾构掘进姿态、减少施工扰动;给出管片接缝螺栓拧紧力矩控制值,可有效减少接缝处管片碎裂、接缝张开和渗漏风险;大比重浆液在控制盾尾后方隧道上浮和隧道纵向稳定性方面具有显著作用,可综合考虑采用大比重浆液、增加隧道纵向刚度、隔断隧道纵向水流通道、严格控制切向分力等措施,确保成型隧道轴线与质量满足设计要求;衡盾泥可在开挖面形成"泥墙",并保持一定的稳定压力以满足刀具更换需要;工艺灵活、效果可控的钢管隔离桩技术可起到保护构筑物的作用。     

砂土液化地层盾构隧道加固设计研究

砂土液化地区盾构隧道后期运营沉降量大、管片病害多、维修难度高,采用有效的地面加固形式有利于减少盾构掘进期间地层损失、土体固结造成的地面沉降及盾构隧道运营期间的病害。以佛山地铁2号线工程为实例,基于连续介质模型的基本原理,简化建立地层-结构空间计算模型,计算分析盾构掘进时不同洞内加固及地面加固形式对地面沉降的影响规律,并通过现场监测数据进行验证。结果表明,当采用洞内加固及地面加固方案1时,能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达60%及83%;在砂土液化地层洞内注浆时,注浆压力需控制在0.3～0.5MPa,注浆流量控制在10～15L/min。     

砂卵石地层盾构开挖面极限支护压力计算模型研究

以成都地铁1、2号线为背景,在分析砂卵石地层盾构施工开挖面破坏模式基础上,提出使用梯形楔形体模型计算开挖面极限支护压力;对开挖面极限支护压力计算公式进行重新推导,推导过程中考虑滑动块侧面三角形和滑动块顶部与外部土体相互作用力.通过颗粒离散元数值计算,在三维空间修正太沙基松动土压力计算公式;结合开挖面稳定性数值计算成果,分析计算模型中主要参数的选取;提出适用于砂卵石地层的修正梯形楔形体模型极限支护压力公式;对计算公式进行对比分析和验证分析.     

兰州地铁一号线下穿黄河砂卵石地层盾构管片分型及优化设计

设计水头、地层、管片刚度、冲刷厚度等应力及位移边界条件影响盾构管片内力分布及其工作性态。结合兰州地铁下穿黄河区间隧道工程,在强透水、弱胶结砂卵石地层中,考虑黄河主槽移位产生的一般冲刷影响,对比分析不同冲刷条件下管片结构的力学响应,给出穿江越河隧道管片设计中百年设计水位、冲刷深度及隧道覆土厚度的确定方法和原则。结合区间隧道陆域段埋深条件,确定区间隧道盾构管片分型及段落分布,达到安全、经济的设计目的,可为类似工程提供参考。     

清华园隧道大直径泥水盾构始发控制掘进分析

清华园隧道某区间采用泥水盾构穿越粉质黏土及砂卵石地层,是全线典型质构法施工隧道.总结清华园隧道盾构始发的经验,对其掘进参数及反力架等工程构件布置进行研究,并采用有限元软件对反力架进行静强度分析计算.研究表明:(1)盾构机在粉质黏土及砂卵石地层中掘进时,反力架最大应力为270 MPa,最大静挠度为7.77 mm;(2)掘...     

砂卵石地层盾构推进对地表沉降影响数值分析

在成都地铁项目工程中,盾构穿越大面积砂卵石地层在我国尚属首例。利用有限元软件ANSYS建立三维数值模型,研究了盾构在不同埋深、等代层厚度、掘进压力等工况下的沉降规律,提出了相关参数控制性建议,可为类似地层盾构隧道的设计施工提供参考。     

盾构法施工对既有桥基础变位的影响分析

研究目的:盾构法施工对周围土体及既有建筑物的影响极为复杂,分析盾构施工过程中对周围既有桥梁基础的影响具有重要的工程价值和研究意义。本文以某隧道开挖的工程实例为背景,采用ABAQUS通用有限元软件,建立了结构的三维有限元模型,考虑了土体及其与结构间的非线性特性,模拟了盾构法隧道开挖的完整施工过程,最终得到了盾构施工过程中既有桥梁的承台和桩基础的变位规律。研究结论:分析表明,在开挖过程中,在开挖掌子面压力的作用下,前方土体隆起,最大隆起量为4.287 mm;由于开挖引起的土体损失、土体应力释放以及盾尾空隙的共同作用,导致盾构正上方及盾构后方的土体发生沉降,最大沉降量为6.651 mm。盾构施工过程中,承台将发生较大的竖向、横向和纵向变位,不可忽略。进行既有桥梁上部结构分析时应考虑承台的基础变位影响。     

无水砂卵石地层盾构机的选型

无水砂卵石是一种典型的力学不稳定地层,对盾构存在较大的不良影响。根据无水砂卵石地层的特点及盾构机的适应性,确定选用加泥式土压平衡盾构,在此基础上,对盾构的刀盘形式、支撑方式、扭矩、千斤顶的推力及配制、螺旋输送机及加泥加泡沫系统等进行分析和比较,保证盾构的准确选型,对类似地层条件下的盾构参数计算和选型具有一定的参考意义。     

盾构双线隧道下穿通信铁塔近接影响分析

地铁双线隧道盾构下穿通信铁塔,风险程度较高。研究盾构近接施工对铁塔位移的影响,对于保证施工中铁塔稳定具有重要意义。以天津地铁6号线盾构隧道下穿通信铁塔为例,通过有限元数值分析软件ABAQUS对盾构施工过程进行模拟。将地表沉降计算值与地表实测值进行对比,验证盾构模拟的合理性。对地铁双线隧道不同位置处下穿通信铁塔时铁塔位移变化进行研究,得到各位置处铁塔位移分布规律。同时分析铁塔受影响较大区域,结果表明在左线隧道开挖过程中,距隧道中心2倍洞径范围内铁塔受影响程度最大;右线隧道开挖过程中,左线隧道左侧2倍洞径至右线隧道右侧2倍洞径范围内铁塔受影响程度最大。     

滨海孤石地层盾构掘进的稳定性数值分析

孤石是风化岩残留体硬度高强度大,地层存在孤石是阻碍盾构施工的危害之一。依托厦门城轨交通4号线彭厝北站~蔡厝站区间,针对滨海孤石地层盾构掘进的稳定性进行离散元数值分析,分别研究孤石与隧道距离、隧道埋深、孤石位置及盾尾空隙对地层稳定性的影响。研究结果表明:随着孤石与隧道距离增大,地层扰动范围、拱顶衬砌压力变化及地表沉降都有减小的趋势;随着隧道埋深的增大,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,衬砌土压力整体上呈现增大趋势;随着孤石位置逐步远离隧道顶部,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,孤石位于拱肩、拱脚、仰拱底时衬砌压力产生突变;随着盾尾空隙增大地层扰动程度及地表沉降也增大,衬砌拱顶土压力呈增大趋势。     

大粒径富水砂卵石地层泥水盾构刀盘脱困技术

泥水盾构穿过大粒径砂卵石地层时刀盘被卡住的情况很容易出现,不仅延误工期还会给工程增加预算。以兰州地铁1号线I期工程为依托,总结并分析已建地铁项目以及本项目实际施工中遇到的刀盘卡住情况及处理措施,形成一套对于大粒径砂卵石地层的刀盘脱困技术。相关技术经验可以为后续大粒径砂卵石隧道以及类似工程中刀盘脱困以及盾构安全快速掘进提供借鉴和指导。     

浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏形态与临界压力上限有限元分析

采用上限有限元方法分析地层参数(土体重度,内摩擦角,黏聚力)、隧道埋深与直径、土体剪胀效应等因素综合影响下浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏模式与临界压力。研究表明:临界压力系数随内摩擦角增大而增大,且重度比越大临界压力系数增大得越明显;临界压力系数随重度比和埋深比的变化基本呈线性增长;内摩擦角较大时,耗散能密度呈斜向条带状分布,地层向上隆起破坏范围较大;重度比较大时,耗散能密度呈更窄更集中的斜向条带状分布,至地表有所发散;埋深比越大,剪切带起始位置越靠下,并在隧道斜上方弯曲程度越大;地层挤出破坏区域主要出现在隧道正上方,地表鼔出近似呈倒置锅底状,隧道正上方至地表一定范围内地层整体向上运动,斜向上方向变形最大。     

砂卵石地层撕裂刀布置对刮刀磨损的影响研究

研究目的:砂卵石地层空间分布不均、磨蚀性强,盾构在该类地层中开挖时经常出现掘进效率低、刀具磨损严重的情况,为实现砂卵石地层盾构安全高效掘进,开展撕裂刀布置对刮刀的磨损影响研究。本文以北京新机场线"磁一"区间工程为背景,根据区间砂卵石地层分布特征及刀具磨损的保护需要,对撕裂刀及刮刀进行分区、分层布置设计,提出三种组合布置模式;开展盾构现场原位试验,利用现场观测断面及监测断面,对盾构掘进过程中刀具的磨损状态进行跟踪测试与分析。研究结论:(1) B模式刀具布置可以有效降低刮刀的磨损,刀具布置时应优先选用此模式;(2)撕裂刀对刮刀的保护作用随着距离的增加迅速减小,有效保护距离为单倍刀宽;(3)该研究结果可为砂卵石地层盾构刀具的布置提供理论依据及参考。     

黄土地区地铁盾构隧道近距离下穿既有线影响规律及控制标准研究

为研究黄土地区盾构隧道近距下穿既有线的影响规律及控制标准,以西安地铁5号线盾构隧道下穿既有2号线隧道工程为背景,分析在既有隧道与下穿隧道竖直净距为盾构隧道管片外径0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍及1.0倍5种工况下的地表沉降和既有隧道在其与新建隧道正交截面上的拱顶及拱底位移、附加应力情况。由结果可知:随着既有隧道与新建隧道竖直净距的减小,地表和既有隧道的拱底拱顶位移均呈线性增大的趋势;地表沉降曲线与既有隧道拱顶沉降曲线呈单峰形态,而拱底位移曲线呈双峰形态,且左峰值小于右峰值;既有隧道在盾构过程中产生正弯矩,应力在盾构穿越其正下方时出现分化;应尽量避免竖直净距小于0.2倍洞径的双线盾构下穿,当采用0.4倍洞径竖直净距下穿时,应将新建隧道拱顶沉降值控制在13 mm以内。