盾构隧道开挖引起地表固结沉降的数值模拟

ANSYS12.0中的Cpt215单元在Solid45单元的基础上,加入了节点水压自由度,使得土体渗透问题可以脱离传统的热量传递问题直接进行数值模拟。Biot从连续介质的基本方程出发,推导出了能准确反映孔隙水压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程。基于Biot三维固结理论,利用ANSYS12.0的CPT215单元,对盾构隧道开挖引起的超孔隙水压力的消散过程进行数值模拟,并研究由于超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降。基于上海地铁2号线的开挖,将数值模拟的结果与实际监测到的规律进行比较(包括超孔隙水压力的消散过程和地表固结沉降历程),对超孔隙水压力区域数值、消散过程、地表固结沉降历程等进行分析。     

双层盾构隧道内部荷载模式对衬砌力学性能影响分析

针对双层结构内部荷载对管片结构的响应方式和设计上如何考虑的问题,将常见的内部荷载模式分为立柱-板、立柱-梁及连续墙-板等3种,并借助梁弹簧模型研究不同工况下3种荷载模式的响应规律。结果表明,立柱-板与立柱-梁荷载模式会导致在衬砌的对应位置出现局部应力集中,采用连续墙-板荷载模式会使内部荷载对结构影响相对较小,并能避免应力集中现象;衬砌厚度增加可以减小内荷载对衬砌整体受力影响,但也可能导致隧道张开量超出限值,影响防渗性能;衬砌外径较大或浅覆土工况下会加大内荷载影响,对衬砌受力造成不利影响。     

考虑重力影响的含空洞地层浅埋隧道围岩应力及位移解析解

为了明确地层空洞对浅埋隧道施工引起的地层应力和位移的影响,建立了含空洞地层浅埋圆形隧道围岩应力和位移解析模型,该模型既能考虑隧道开挖边界上的重力释放过程,又能考虑隧道与空洞的相互作用。采用复变函数法和Schwarz交替法对模型进行了理论求解,并将该模型解析解与有限元数值解进行了对比分析,两者吻合较好。基于所建立的解析模型,分析了应力释放系数、空洞位置及尺寸对地层应力和变形的影响规律。结果表明：随着应力释放系数和空洞尺寸的增大以及空洞与隧道间距的减小,空洞影响效应逐渐增大;空洞位于隧道拱顶时影响最为显著,空洞位于隧道斜上方时影响次之;空洞导致圆心连线两侧0°~5°范围内的隧道洞周环向应力减小,两侧5°~45°范围内的环向应力增大;空洞导致靠其一侧的隧道收缩变形增大,其中圆心连线位置上的隧道收缩变形增长最为显著;而地表最大差异沉降位于空洞正上方处。研究成果对含空洞地层浅埋隧道施工引起的围岩变形和应力预测具有重要的理论意义和应用价值。     

基于RS-SVR的上软下硬地层盾构施工地表沉降预测

为了提高由盾构施工引起的软硬不均地层地表沉降预测的准确性,建立基于粗糙集-支持向量回归（RS-SVR）的地表沉降预测模型,并将该模型应用于实际地铁隧道工程的地表沉降预测中。首先,根据特定地质条件,从几何因素、地层因素和盾构施工因素选取影响地表沉降的条件属性,采用粗糙集理论的Pawlak属性重要度方法删除冗余数据,获取影响地表沉降的最优条件属性集。在此基础上,基于支持向量回归（SVR）建立RS-SVR地表沉降预测模型,并与没有经过属性约简的SVR模型进行对比分析。为了比较不同核函数对SVR模型的影响,RS-SVR和SVR模型分别选取径向基函数（RBF）、Sigmoid函数、Polynomial函数作为核函数对训练样本及测试样本进行回归预测。最后,利用佛山地铁2号线南湖区间上软下硬地层的20组地表沉降监测数据,对该模型予以试算。研究结果表明：将选取的影响地表沉降的12项条件属性约简为包含7项的最优条件属性集,分别为硬层比、黏聚力、内摩擦角、土仓压力、总推力、刀盘扭矩以及掘进时间,地表沉降分类结果与约简前保持一致;同类模型进行横向对比时,RBF作为核函数的RS-SVR模型和SVR模型预测误差分别为5.54%、13.10%,均低于以Sigmoid函数和Polynomial函数作为核函数时的预测误差;以同种核函数进行纵向对比时,RS-SVR模型预测误差分别为5.54%、11.48%、13.26%,均低于SVR模型预测误差的13.10%、15.71%、19.68%。     

杭州地区某盾构区间施工地表变形预测参数的分析与确定

以杭州地铁某盾构区间隧道施工为背景,分别对盾构隧道上浮和盾构隧道水平2种工况建立计算模型,并计算盾构掘进施工引起的地表沉降,在每种模拟工况计算中取不同的地层损失率对地表沉降进行计算。将不同工况、不同地层损失率的计算结果与实测数据进行对比分析,并利用Peck公式计算结果进一步确认,以确定不同工况下的地层损失率:盾构隧道上浮工况下地层损失率约为1.9%;盾构隧道水平工况下地层损失率约为1%。以期为杭州和其他地区盾构施工引起的地表沉降预测提供参考。