天津地铁盾构隧道施工地层及结构变形特性分析

基于土压平衡盾构隧道关键施工要素分析,提出1种可进行渗流—应力耦合分析的精细化数值模拟方法。依托天津地铁6号线天托站—一中心医院站区间盾构隧道工程,模拟分析关键施工参数对地层及结构变形的影响规律,并通过实测数据验证模拟结果的合理性。结果表明:通过向盾壳单元施加恒定节点速度模拟盾壳—土体摩擦作用,能够反映盾壳—土体界面的真实剪应力状态,避免盾壳姿态发生倾斜引起附加土体位移;通过向等代层单元施加单元流量边界(流入)模拟同步注浆过程,能够反映浆液引起地层孔压边界的改变;开挖面支护压力的增大可一定程度减小地层沉降和管片环椭圆化变形;盾壳—土体摩擦力的增大将显著增大刀盘前方地层的隆起、盾尾后方地层的沉降、地层沿隧道轴向和横向的水平位移以及管片环椭圆化变形;同步注浆量的增大可有效减小地层沉降、地层沿隧道轴向的水平位移以及管片环椭圆化变形。现场实测数据与数值模拟结果具有很好的一致性,验证了数值模拟方法的合理性。     

盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型

假设饱和软土地层中从管片注浆孔进行壁后即时注浆时,浆液直接接触周围土体,形成以注浆孔为中心的半球形浆体,与周围土体发生压滤效应,应用达西定律和弹性理论对球形浆体扩散过程进行理论推导,建立盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型。计算分析壁后注浆时隧道周围土体孔隙水压力、有效应力及注浆对管片产生的附加压力。分析结果表明:孔隙水压力随着远离注浆孔而逐渐消散;土体径向有效应力随着远离注浆孔逐渐减小,土体切向有效应力随着远离注浆孔先增大、后逐渐减小;注浆对管片产生的附加压力随着注浆压力的增大而增大。     

新建地铁与既有线交叠区域地基处理加固分析

沈阳地铁10号线盾构区间超小净距上穿既有地铁2号线区间人防段,为研究地铁施工对既有结构产生的影响,探讨交叠区域采取注浆加固措施后的效果,确保盾构区间顺利完成穿越。利用ABAQUS有限元软件建立交叠区域地基一定范围内土体深孔注浆预加固三维模型,研究新建隧道盾壳与既有暗挖结构点接触对既有结构及管片结构内力的影响。研究结果表明:新建地铁若与既有2号线区间发生点接触,接触点位置会出现集中荷载,对既有结构受力不利;交叠区域地基进行注浆预加固后,既有结构拱顶所受弯矩较未注浆加固时减小约5/6,地基处理效果明显,这是由于盾壳与周围土体刚度差异减小,周围土体可承担更多竖向荷载;新建地铁管片弯矩值降低为未注浆加固时1/5左右,裂缝宽度由0.08 mm降低为0.05 mm,注浆加固一定程度上具有改善管片环向受力状态的作用。分析结果证明了加固方案的合理性。     

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.     

暗挖隧道近接上穿地铁盾构隧道的施工模拟

结合北京地铁10号线"国—双区间"盾构隧道受近接上穿地下过街通道施工影响的工程问题,针对盾构隧道周围地层的二重管无收缩WSS工法注浆加固措施,对整个动态施工过程进行了数值模拟分析,预测了地下通道的开挖卸荷引起下卧盾构隧道的变形情况,并评估了盾构隧道的安全性。通过计算分析,发现对近接盾构隧道周围地层采用WSS工法注浆加固能够有效地减小开挖卸荷引起的既有盾构隧道隆起变形和收敛变形,增大变形曲率半径,从而减小盾构管片的纵、横向的附加应力,对近接施工中的既有结构起到了保护作用。     

地层膨胀力对盾构管片结构受力影响分析

膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的特点,类似地层盾构隧道研究相对较少。针对成都地铁某盾构区间实例,根据盾构隧道埋深与盾构隧道外径关系进行分类,通过单一变化膨胀力,借助有限元软件采用壳单元建立荷载-结构模型计算各工况下管片的内力,对比分析管片内力和安全系数,研究膨胀力对盾构管片结构受力的影响。研究结果表明:随着隧道埋深的增加,地层膨胀力对管片结构受力表现为有利;可通过调整线路高程、增加盾构管片埋深、管片背后注浆等措施,降低地层膨胀力对管片结构受力的影响。     

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题，计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率，建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型，分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明：考虑注浆压力时管片均出现上浮，最大上浮量出现于盾尾第6环管片处；管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小，在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态；盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大，管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。     

联络通道施工对隧道T接结构的受力影响研究

在软弱地层施工地铁隧道联络通道会造成隧道结构局部应力集中,严重时可导致管片开裂等现象。为解决这一问题,利用ABAQUS有限元软件建立主隧道与联络通道结构模型,通过改变联络通道掘进长度与联络通道底部基床系数等因素,探究机械法联络通道T接隧道建设对主隧道结构的影响。研究发现：联络通道施工荷载使隧道发生横向扭剪变形,可导致施工过程中纵向顶推转角发生变化;随着联络通道掘进长度的增加,主隧道与联络通道管片应力不断增大;联络通道靠近主隧道上方管片受力变形大于主隧道上方（应力增加17%、变形可达4倍）;随着基床系数减小,隧道结构整体受力变形呈增大趋势（应力增大44%、沉降增大34%）。研究成果可为相关工程安全建设提供参考。     

深埋软岩盾构隧道围岩压力控制方法研究

以广佛环线东环隧道工程为背景,从盾构隧道动态施工全过程出发,参考考虑开挖面空间效应的二阶段分析方法,拓展盾构隧道施工全过程的两阶段分析方法,以此分别建立盾构隧道施工第一阶段和第二阶段分析模型,研究围岩蠕变过程中围岩应力释放率、填充层厚度、填充层弹性模量对大埋深软岩盾构隧道围岩和支护结构相互作用规律的影响。结果表明:(1)施工过程中可从两方面控制围岩压力,分别为第一阶段中围岩的应力(位移)释放率及第二阶段中管片和填充层的联合支护效果;(2)第一阶段,超挖量、盾壳长度及填充层滞后距离越大,围岩传递到管片衬砌上的荷载越小;(3)壁后填充层在管片衬砌与其的联合支护体系中能起到缓冲作用,使围岩传递到管片衬砌上的荷载更均匀;(4)壁后填充层的弹性模量存在临界值,其值在50～200 MPa范围内,当壁后填充层的弹性模量远大于此临界值时,能分担较多围岩压力,当其弹性模量小于临界值时,围岩能释放一定的围岩应力,以此减小管片衬砌所受围岩压力;(5)第一阶段应力释放率对管片衬砌变形和内力的影响程度在围岩的蠕变作用下有所减小,但填充层厚度及其弹性模量对管片结构的作用规律几乎不受围岩蠕变的影响。     

新建盾构隧道施工对既有铁路路基的影响研究

结合武汉地铁区间盾构隧道下穿合武铁路工程,采用数值模拟计算的方法研究盾构施工过程中路基及地层的变形,分别从埋深、地层加固措施方面对铁路路基沉降的影响规律进行分析。研究结果表明:盾构掘进过程中,盾构开挖面距路基中心线约6 m时,既有路基就已产生明显的沉降,且先行隧道施工对路基产生的扰动尤为显著;路基沉降槽宽度随隧道埋深的增大而增大,沉降槽曲率及峰值逐渐减小,在此地层条件下,隧道埋深增大到一定程度后路基沉降仍超过了限定值;对隧道周围土体采取注浆加固措施能够有效控制地层的沉降,保证列车安全正常运行。     

富水承压地层盾构管片上浮规律及 控制措施探讨

在地铁盾构施工过程中,隧道管片上浮问题十分普遍,严重时甚至会造成隧道轴线偏差超限,影响整个 线路的设计规划。总结分析国内盾构管片发生上浮的现象和特征,指出承压水对诱发管片上浮起重要作用。依托 北京地铁 17 号线香西区间盾构隧道,开展盾构穿越富水承压地层的理论分析和数值模拟。结果表明：导致该工 程管片发生较大上浮现象的原因不应仅考虑浆液浮力和地层回弹的作用,还应考虑承压水作用的影响。缩短同 步注浆凝结时间和补充二次注浆是针对浆液浮力的措施,而在隧道周边径向注浆则可同时减少地层回弹和承压水 的影响,径向注浆对减小管片上浮效果明显。     

泥质膨胀性围岩隧道施工技术

膨胀性围岩具有吸水膨胀、地应力高、变形量大、易受扰动的特性,隧道施工时如措施不当,将对支护结构造成破坏;四角田隧道膨胀性围岩施工时,采取了增大预留变形空间、长大锚杆拉锚、型钢钢架支护、深孔注浆以及科学的施工组织等措施,成功地克服了这一难题,对今后类似工程施工提供借鉴.     

新近系富水砂岩隧道注浆加固圈厚度研究

新近系富水弱胶结砂岩地层隧道在施工过程会破坏围岩稳定，进而出现突水和涌沙病害，在砂岩地层进行注浆加固是保障隧道安全的关键。以宁夏中卫某富水砂岩隧道为依托，采用FLAC 3D建立计算模型，探明不同注浆圈厚度对围岩的影响。结果表明：隧道注浆圈厚度为3 m时，围岩累计周边收敛值和拱顶沉降值分别为35.3 cm和30.9 cm，满足设计允许变形值。随着注浆圈厚度的增加，注浆加固效率先增大后减小，但施工难度及工程投资显著增大。综合考虑隧道施工的安全性、简便性及经济性，当围岩含水率为塑限范围及以下时，建议注浆圈厚度为3 m；当围岩含水率为塑限及液限范围之间时，建议注浆圈厚度为4 m。研究结果可为富水砂岩隧道的结构设计和施工提供借鉴。     

装配整体式盾构管片结构及力学性能研究

传统盾构隧道管片由预制管片和螺栓连接而成,需要依靠围岩荷载才能形成稳定的结构体系。接头的存在也会造成管片结构整体刚度偏低、抗变形能力减弱,影响隧道结构的安全性和耐久性。本文提出一种装配整体式盾构隧道管片结构,该装配整体式管片由预制T型管片和叠合区混凝土组成。盾构施工阶段进行T型管片拼装,隧道洞通后采用喷射或现浇方式进行叠合区混凝土施工。基于ABAQUS软件对比分析装配整体式管片和传统管片的力学性能。结果表明：在施工阶段,装配整体式管片和传统管片的内力相近,但装配整体式管片的变形稍大。当隧道附近有基坑开挖时,T型管片与叠合区混凝土共同承担隧道荷载,叠合区混凝土刚度大,对T型管片具有保护作用,并且装配整体式管片的后期变形小于传统管片,表现出更好的整体性和抗变形能力。装配整体式盾构隧道管片结构适用于非均质或大变形地层,且能更好地应对邻近施工和邻近穿越等工况,可为盾构隧道工程建设提供新的技术方案。     

降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分析

为研究膨胀土隧道围岩湿度变化对隧道初期支护结构力学特性的影响,采用数值分析方法,将隧道施工过程中围岩扰动较大的范围作为"松动区",基于温度场与湿度场相关理论及变量的相似性,分析在不同扰动程度及不同渗水条件下,隧道初期支护结构变形及内力的变化特征。研究表明:在"轻微松动"条件下,洞周土体内基本不产生膨胀力;在"显著松动"条件下,洞周土体内将产生少量的膨胀力;在"完全松动"条件下,洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力,使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。随着隧道开挖扰动程度的加剧,隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大,土体增湿膨胀后,隧道初支结构内力最大增幅接近20%。因此,隧道施工中应尽量减少对周边土体的扰动,并注重对地表水体的截、排处理。     

盾构隧道施工过程中管片内力的研究

在北京地铁5号线北新桥一雍和宫左线区间隧道试验段,选取3个不同地质情况的测试断面,进行盾构施工过程中管片内力研究.结果表明,在盾构施工过程中,从管片结构形成局部稳定状态到最终与地层之间形成平衡状态,管片的内力不断调整、变化;管片在尾板保护范围之内时,管片在左右45°方位和拱底处轴力较大;管片脱离尾板保护后,土体和填充浆液对管片产生作用,使管片内力迅速增加,增幅最大达30%～40%,此时是装配式管片单层衬砌安全的关键时刻之一;地质情况对管片轴力有较大影响,在粉土层中管片轴力大,在砂土和卵石地层中管片轴力较小;地质情况对管片弯矩的影响不明显;注浆效果对脱离尾板保护管片的内力有直接影响,提高注浆效果可使管片受力均匀,提高管片的耐久性.     

地铁盾构施工下穿既有明挖隧道模型试验研究

为探究盾构下穿施工对既有隧道结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市地铁5号线下穿6线隧道为工程背景,基于几何相似比配制地层和结构模型试验材料,并设计试验监测系统。采用直径1 200 mm小型盾构机,试验模拟盾构隧道以不同深度垂直下穿既有6线隧道的施工过程,并分析下穿过程中既有6线隧道和地层土体的沉降变形规律。结果表明：随着既有隧道底部地层距盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为1.5倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道拱顶距离分别为1倍洞径和1.5倍洞径时沉降最大差值为31.25%;6线隧道结构与其下方地层产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于80%。     

超临界桥桩基施工对既有隧道影响数值与实测分析

某新建立交桥多次跨越地铁盾构区间隧道,其桩基基础工程离盾构隧道结构较近,属于近接施工。在新建立交桩基施工过程中,由于钻孔扰动、施工荷载等因素会引起地层产生移动和变形,导致附存于地层中的区间隧道结构随之发生移动和变形。通过数值模拟,分析桥梁桩基施工对隧道结构的内力及位移影响,进一步对桥梁设计及施工方案进行优化,以减小近接施工的影响,规避一定量风险。通过数值模拟软件Midas/GTS计算得出的管片位移、盾构隧道拱顶最大沉降变形与径向收敛变形均未超过控制标准,其模拟计算结果与现场监测数据基本相符。     

回填层与管片组合结构的支护性能及模型试验研究

双护盾隧道掘进机倒梯形设计及管片拼装特点使得管片与围岩之间存在一定的空隙,常采用碎石回填并注浆形成回填层。将回填层与管片视为组合结构,采用弹性力学中厚壁圆筒理论,推导组合结构支护刚度计算公式,分析回填层对组合结构支护性能的影响及回填层的承载能力、吸收变形能力,并设计相似模型试验进行验证。结果表明:回填层可以承担少量的荷载并吸收部分围岩变形,其承载能力与吸收变形的能力与回填层的弹性模量有关;回填层存在1个临界弹性模量,当回填层实际弹性模量小于临界弹性模量时组合结构的支护刚度小于管片支护刚度,当大于临界弹性模量时组合结构的支护刚度大于管片支护刚度。实际工程中,注浆固结后的回填层弹性模量处于0.8~1.5GPa之间,此时回填层的主要作用是在围岩与管片之间传递荷载。     

基于盾构隧道施工力学特性的注浆加固方案比较分析

为了研究隧道注浆加固对盾构施工力学特性的影响,以昆明轨道交通5号线软弱地层盾构隧道下穿采莲河施工为例,运用Abaqus软件建立隧道施工三维计算模型,通过改变注浆范围及注浆压力等参数,提出6种注浆加固方案并对这6种加固方案下地表沉降和管片内力变形进行对比分析.研究结果表明:在该工程地质条件和施工因素下,选择上、下半断面分别局部注浆,并控制注浆压力0.1 ～0.2 MPa时注浆补偿效果最佳,此时地表沉降较未注浆时减小54.3％～66.9％,同时管片拉应力及内侧上浮量均满足控制要求;考虑注浆加固效果对地层弹性模量的直接影响,对其进行了敏感性分析,当注浆圈弹性模量由80MPa增至100MPa时,地表沉降减小了14.78％.故施工中应严格控制注浆质量,保证注浆加固范围及注浆压力在要求范围内,提高施工安全.