新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

针对新建盾构隧道下穿施工时,对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题,应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术,建立三维非连续精细化数值模型,重点分析隧道正交下穿施工扰动下,既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明:新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉,表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著;纵缝接头变形以张开为主,环缝接头变形以错台为主,且同一环中拱顶处变形最大;环缝接头应力集中明显,靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值,局部裂损风险高;受下部开挖影响,上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。     

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。     

上下重叠盾构隧道管片内力数值计算分析

为了充分掌握地铁小净距上下重叠盾构隧道管片的内力变化规律,以深圳地铁3号线老街站—晒布站区间重叠盾构隧道为背景,采用数值模拟进行上下重叠盾构隧道管片内力计算分析。通过对单洞和重叠盾构隧道不同工况下的内力变化、两重叠隧道管片内力在不同地层损失率下的变化特征的模拟计算,表明近距离上下重叠盾构隧道在施工过程中相互"卸载"作用明显,重叠盾构隧道较单洞内力有所减小。综合考虑重叠盾构隧道的近接施工影响、地表建筑物沉降,结合深圳地区已施工完成工程的经验,最终确定按20%的释放率进行管片内力计算。     

基坑分块开挖对下卧盾构隧道的变形影响分析

为研究分块开挖基坑对下卧盾构隧道保护的有效性,以深圳市双界河路段某基坑工程为例,建立三维有限元模型,对比下卧盾构隧道竖向位移计算值与实测数据,在此基础上分析不同分块开挖方式对下卧隧道附加弯矩、内径变形的影响,并进一步研究分块开挖与坑底土体加固共同作用下隧道的变形规律。结果表明:在分块数量相同的情况下,横向分块的开挖效果要好于纵向分块开挖,且横向分块数量越多,对隧道竖向位移控制效果越好;隧道最大附加弯矩在拱顶处,隧道整体呈拱顶、拱底处伸长,拱腰处压缩的变形趋势;坑底加固土体可有效控制隧道竖向位移,在隧道变形控制较为严格的工程中,建议在开挖前对坑底土体进行加固。     

盾构隧道长期渗水对地表沉降及管片内力的影响

以上海地铁盾构隧道为例,建立盾构隧道渗流模型,设置不同渗流程度及水位边界条件,分析长期渗流条件下隧道周围土体的孔压分布规律、地表沉降规律和管片内力变化规律.分析结果表明:渗流越严重,孔压降低越明显,地表沉降越大;孔压、地表沉降和管片内力的变化规律一致,且在保持地下水位不变的条件下,三者达到稳定状态的时间几乎相同;渗流使管片内力发生明显改变,管片内力的改变量与渗流的严重程度和地下水位变化情况密切相关;在渗流严重且没有外部水源补给情况下,长期渗流使地下水位不断下降,导致隧道拱腰处的管片内力增加量最显著,对地铁盾构隧道的安全运营造成严重威胁.     

人行地道上跨地铁盾构区间隧道影响分析研究

地面基坑位于地铁区间隧道上方时,由于基坑开挖的卸荷作用会对下方地铁隧道的变形内力产生一定影响。以昆明某人行地道基坑上跨地铁盾构区间隧道为例,模拟基坑开挖过程,分析了各工况下基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的变形和内力变化规律。分析研究表明基坑开挖会引起盾构隧道整体上浮,盾构隧道轴力、弯矩均有一定减小,剪力增大,但盾构隧道位移及内力的变化量相对较小,对地铁的安全运营影响较小。     

侧方基坑开挖对盾构隧道的影响研究

为了研究侧上方基坑放坡开挖对盾构隧道的影响,利用FLAC3D建立三维数值模型,模拟轨道交通侧方基坑开挖的施工全过程,从盾构管片内力及模型位移等角度分析基坑开挖对盾构隧道的影响,并将数值计算结果与现场观测数据进行对比。结果表明,随基坑开挖深度的不断增加,盾构管片及基坑边坡水平位移不断增大,当基坑开挖至坑底时,基坑中部位置处盾构管片变形最大,管片拱肩位置处水平位移最大(为5. 24 mm),拱顶最大竖向隆起为1. 01 mm,拱腰最小曲率半径达482 690 m,管片拱肩位置处存在压应力集中(最大压力为3. 58 MPa)。当基坑内部结构施工完成后,管片水平位移量减小。为减小基坑开挖对盾构隧道的影响,基坑开挖至坑底后应尽快施作内部结构,有利于控制盾构管片变形。     

南京地铁盾构隧道结构设计

盾构法施工具有安全、环保、高效的优点,在地铁隧道中被愈来愈多地采用。但目前盾构法施工成本相对较高, 其中管片制作费占盾构施工费的45%,因此,管片结构设计时选择合理的设计方法是降低盾构法施工成本的关键。结合南京地铁的地质和水文条件,分析了软土中盾构隧道结构计算方法,以及隧道内径、衬砌类型的选择;介绍了盾构隧道断面裂缝、直径变形、纵环向接缝验算方法。     

地铁交叠隧道夹角对隧道施工影响的数值分析

以昆明地铁首期工程环—昆区间交叠隧道为工程背景,运用MIDAS/GTS有限元程序模拟盾构开挖过程,采用先下后上的开挖方式和不同交叠角度作为施工工况,分析不同交叠角度工况下交叠隧道施工对地表沉降和管片内力的影响。结果表明,地表沉降和管片内力随着交叠角度的变化而改变,交叠角度减小,地表沉降范围增大,而最大沉降值和管片应力均减小。     

串珠形溶洞区盾构隧道稳定性研究

为了研究复合地层串珠形溶洞地质条件下盾构隧道的稳定性,依托广州地铁12号线棠溪站—南航新村站区间工程,采用数值模拟方法,系统研究溶洞的位置、直径和距离及充填处理情况对隧道管片变形、管片受力及岩土塑性区的影响。结果表明：因盾构施工扰动,易引起地表坍塌、管片变形等问题,隧道影响范围内的土洞必须严格处理。考虑到隧道拱顶位于强风化带或土层,隧道上方溶洞对隧道变形和受力的影响最大,侧方溶洞次之。间跨比一定时,随着溶洞直径的增加,管片拉应力快速增加;跨度比一定时,随着溶洞距离的增加,管片拉应力急剧减小。无填充条件下,近距离侧方溶洞易引起管片拉力和变形超过规范阈值,管片变形偏心向溶土洞方向发展。全充填或注浆条件下,管片应力和变形情况得到明显改善。     

双线隧道盾构掘进对地表沉降影响的数值分析

研究目的:在双线隧道盾构掘进过程中,先开挖隧道地层变形会对后开挖隧道地层变形产生不可忽视的影响,导致双线隧道盾构掘进完成后地表沉降存在差异性。依托天津地铁某盾构区间隧道掘进工程,基于FLAC3D软件建立隧道掘进过程的有限元模型,从隧道开挖变形、地表沉降的角度分析先挖线路对后挖线路变形特征的影响,验证双线隧道盾构施工导致地表沉降的叠加效应。为保证盾构掘进过程中地表沉降不超标,通过数值模拟分析盾构土仓压力、同步注浆量和出渣量等因素对地表最大沉降量的影响,有效指导盾构隧道施工参数的选择,最后通过现场监测数据验证数值模拟结果的正确性。研究结论:(1)前序次开挖隧道对后序次开挖隧道的隧道拱顶沉降与地表沉降均存在叠加效应影响,后序次开挖隧道的拱顶沉降及地表沉降均略大于前序次隧道的对应沉降值;(2)数值模拟结果与现场实测结果的对比显示,实测地表沉降值相比数值模拟计算值分别高出5. 78 mm、4. 97 mm,隧道的管片沉降实测值与计算值误差均在5%以内,数值模拟计算误差均处于可控范围内,一定程度上验证了数值模拟结果的正确性;(3)本研究结论在城市地铁盾构(TBM)法施工领域,对地表沉降控制方面的机理研究和实践操作有较好的应用效果。     

盾构隧道拱顶背后空洞引起管片裂损机理研究

同步注浆不均则衬砌管片背后易形成不密实或者空洞,导致管片变形、裂损和掉块。针对这一问题,依托一地铁盾构隧道建立三维地层结构模型,采用扩展有限元法对拱顶背后空洞引起混凝土管片裂纹的应变及变形特性进行探究。研究结果表明:拱顶背后空洞范围对管片裂纹的分布位置、扩展方向、最终裂纹形状都有很大影响,管片最大位移出现在拱顶背后空洞范围的中心,且随着空洞范围的增大而增大。     

地铁运营隧道收敛变形分析

结合上海轨道交通2号线人民广场站-南京东路站区间隧道,研究了地铁运营隧道收敛变形及其影响.阐述了上海轨道交通2号线人民广场站-南京东路站区间隧道收敛变形的测量方法与结果.结合改进的盾构管片接头模型对地铁运营隧道进行数值模拟计算,给出不同水平径向收敛时的管片内力数值.通过实测地铁运营隧道水平径向收敛变形,结合数值模拟和最大裂缝宽度理论计算结果表明:该区间上行隧道水平径向收敛普遍较大,最大可达77 mm.衬砌管片的弯矩和裂缝宽度与水平径向收敛变形密切相关.通过理论计算,不同水平径向收敛变形时的裂缝宽度为腰部最大,拱底次之,拱顶最小.     

软土盾构隧道横断面变形规律及控制限值研究

研究目的:盾构隧道横断面变形对结构安全具有深刻的影响,变形过大会导致隧道接缝张开及渗漏、管片开裂,甚至导致横断面限界不足、隧道结构承载能力散失等,而盾构隧道修复加固代价高昂,为了确定合理的管片修复时机,在保证隧道安全性的同时兼顾经济性,需对隧道横断面变形规律及限值展开研究。研究结论:本文在隧道变形影响因素分析的基础上,得出如下结论:(1)横断面变形的根源在于隧道竖向和水平荷载比的增大;(2)以南京地铁二号线盾构隧道管片结构为背景,采用数值模拟的方法研究了隧道横断面变形规律,建立了不同拼装方式下隧道水平直径变形量与接缝最大张开量、最大螺栓应力、最大混凝土应力之间的关系,进而提出了隧道横断面变形控制限值:对于通缝隧道,水平直径变化量大于123 mm时螺栓达到极限强度值,对于错缝隧道,大于127 mm时螺栓达到极限强度值,此时隧道安全性将受到极大威胁;(3)本研究成果可为隧道横断面变形管控措施及修复时机的确定提供参考。     

非连续模型下桩基对既有盾构隧道变形的影响

基于非线性接触理论,在管片间简化设置挤压与摩擦关系模拟管片接头结构,以贵州省某市实际工程为背景,建立非连续接触盾构隧道模型,分析桩基施工与承载阶段对既有盾构隧道变形的影响。研究结果表明：本工程中,桩基承载阶段对土体竖向的主要影响范围约为桩径的15倍、桩长的1.7倍,对土体侧向的主要影响范围约为桩径的5.5倍、桩长的0.6倍。综合变形较大值主要集中在拱顶、拱腰以及拱底处,盾构隧道在非连续模型下受力变形时,管片间出现明显错台,这表明本模型能较好地模拟出既有盾构隧道在桩基施工承载时的受力变形。桩基施工阶段,竖向变形最大值出现在拱顶部位,约为0.21mm。桩基承载阶段,竖向变形最大值仍出现在拱顶部位,约为0.73mm,盾构隧道在竖向变形上主要受桩基承载阶段影响。桩基施工与承载阶段,横向变形最大值均出现在线内拱腰处,分别约为0.21mm与0.23mm,横向变形值增量不大,盾构隧道在横向变形上主要受桩基施工阶段影响。     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

压弯荷载作用下带有定位榫盾构隧道管片接缝的力学特性

依托于国内一地铁盾构隧道,采用有限元软件ABAQUS建立带有定位榫的盾构隧道管片接头三维模型,从管片应力、接缝位移、螺栓内力、定位榫内力与变形四个方面对带有定位榫的盾构隧道管片接头抗弯力学性能进行分析。结果表明：管片压溃区开始于纵缝处并向前后两块夹持管片延伸,最终呈杠铃状;纵缝削弱了其左右两侧0.33 m范围内管片刚度;环缝与纵缝交点错台量和张开量最大;定位榫对螺栓受力状态影响显著,螺栓中部截面角度-7.5°～7.5°区域轴力突然减小,剪力突然增大,两个纵向螺栓轴力分别在弯矩大于300 kN·m和大于600 kN·m时在该区域出现反向现象;定位榫在弯矩作用下内力较小,剪力最大值出现在0°截面处;弯矩越大,定位榫变形量越大,但定位榫不同角度变形量之间的关系基本不受弯矩变化影响。     

地表堆卸载对浅覆土盾构隧道影响试验研究

地铁沿线开发利用过程中不可避免地造成紧邻地铁隧道的地表临时堆载,堆载清除后依然会对隧道结构造成不可恢复变形,影响地铁安全运营。现有的研究主要集中在堆载过程引起的盾构隧道变形,缺少堆载-卸载这一完整过程的研究。为探究地表堆-卸载引起的浅覆土隧道变形特性,以错缝无榫槽盾构隧道为原型,使用3D打印技术制作的盾构隧道模型开展砂土地层盾构隧道的浅覆土堆-卸载试验和常覆土堆载试验,分析浅覆土隧道堆-卸载过程受力及变形情况,并对比堆载过程浅覆土隧道与常覆土隧道受力及变形结果。实验结果表明：地表堆-卸载过程引起隧道管环变形由整体沉降和径向收敛2个部分组成。地表临时堆载引起隧道的部分变形是不可逆的,且浅覆土隧道的卸载回弹变形具有一定的滞后性,卸载后,隧道环的不可恢复位移偏移量：拱底>拱顶>拱腰。距离荷载中心越近,截面椭圆化越明显,且拱顶、拱底和拱腰是产生弯矩的峰值处。浅覆土隧道对地表荷载变化更敏感,在地表堆载下产生明显的沉降区,且隧道两端发生翘起现象;常覆土隧道差异沉降相对较小,沉降曲线较平滑。浅覆土隧道受到附加应力更大,但受影响范围要小于常覆土隧道。研究可为地表突发堆载中既有盾构隧道的保护...     

超大直径盾构施工对邻近深基坑的影响分析

为研究盾构隧道侧穿邻近基坑过程中对基坑结构的影响,以三阳路越江隧道侧穿汉口风塔配套综合开发项目(二期)深基坑为依托,采用数值模拟方法,对盾构分别侧穿基坑开挖到底、地下室底板及负三层结构完成、地下室负二层施作结构完成及地下室结构施工至±0.0m建立三维模型,对比分析四种工况的管片及地连墙结构内力及位移规律。研究结果表明:工况1为最不利工况,拱顶沉降值、地表竖向位移值、管片弯矩值最大,而工况4对应数值最小,相对最安全;基坑内主体结构施作越完整,近隧道侧地连墙位移越小、盾构侧穿对基坑影响越小,管片最小曲率半径越大。研究成果可为隧道侧穿深基坑分析提供理论依据,也可为类似工程提供参考。     

盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度问题初步研究

研究目的:盾构隧道在穿越地质条件或者地表建筑物差异大的路段时,管片衬砌结构在纵向将产生较大的内力和变形,故在盾构隧道管片衬砌结构设计中,必须考虑其纵向力学问题. 研究结论:(1) 盾构隧道纵向等效刚度系数计算公式为:ηX=kxlkxl M1G1ls(1-1n)(X表示拉、剪切和弯曲).(2) 通过进行简化有限元计算,得出单线地铁区间盾构隧道纵向抗弯等效刚度系数近似取为:ηM=0.05.