泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

盾构开挖面楔形体支护压力模型分析及改进

为了维持砂土地层盾构隧道开挖面的稳定性,以楔形体模型2种常用的面积等效方法为出发点,对开挖面支护压力计算公式进行推导,同时结合现有楔形体模型与Takano 1g模型试验结果从砂土盾构开挖面破坏区外形的角度改进楔形体计算模型,在考虑松动土压力的情况下提出盾构开挖面主动极限支护压力的计算公式并简化。将Chambon离心模型试验结果与楔形体支护压力计算结果进行对比,并依托西安盾构隧道工程土舱压力监测数据对新公式进行工程应用分析。研究结果表明:采用第1种面积等效方法时的楔形体模型计算结果更为精确,不同模型计算结果出现差异的主要原因来自于楔形体竖直侧面摩擦力的影响,同时提出1.5倍所提简化公式的计算值作为上部土舱压力设定的建议值。     

考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限分析

为有效评估含水地层异形盾构隧道开挖面的稳定性,解决异形盾构隧道开挖面稳定性预测和控制等关键问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了主动破坏模式下含水地层中异形盾构隧道开挖面发生失稳破坏的演化过程以及开挖面极限支护力的确定方法。运用FLAC3D有限差分软件,建立了考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面主动破坏数值模型,通过FISH语言编程提取了异形隧道开挖面附近地层的孔隙水压分布。基于空间离散化技术和极限分析上限定理,采用线性插值方法计算了异形盾构隧道开挖面附近地层渗透力做功率,建立了含水地层考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面稳定性分析模型,揭示了断面形状、地层参数、地下水位等因素对隧道开挖面极限支护力和三维破坏模式的影响规律。研究结果表明：流-固耦合情况下的地层孔隙水压力要明显大于单渗流情况下的孔隙水压力;隧道开挖面附近的孔隙水压力梯度明显大于其他区域;在同等工况下,矩形、五心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较大,椭圆、三心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较小;各断面形状下的隧道开挖面的极限支护力随黏聚力、内摩擦角和地下水位的增大而增大;随耦合时间的增大极限支护力先是不断增...     

砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析

隧道沿线溶洞的加固处理是岩溶地层中盾构隧道施工的关键。以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景,论述砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工面临的主要工程地质风险;由溶洞处理流程入手,从溶洞处理判断标准、注浆填充方案、注浆材料选择以及注浆加固效果检验等方面详细介绍盾构隧道施工中通过地面注浆加固进行溶洞处理。同时,对监测区间内溶洞注浆加固效果以及隧道掘进引起的地面、房屋沉降情况进行监测分析。研究结果表明： 溶洞注浆加固效果良好,隧道掘进造成的地面房屋沉降变化平稳,地面注浆加固处理在砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工中具备一定的工程适用性。     

基于地基回弹因素的盾构隧道管片上浮预测

针对软弱地层盾构隧道管片脱出盾尾后出现的上浮问题,分析盾构施工过程中管片上浮的诱因,得出软弱地层中管片的上浮主要是地层应力重分布产生的地基回弹力引起的。在此基础上建立隧道开挖动态模型,分析隧道上浮量变化规律以及地层特性对管片上浮量的影响规律,得出地层弹性模量和管片上浮量呈一定的指数关系,且弹性模量对管片上浮量的影响远大于地层黏聚力和内摩擦角。通过力平衡理论计算盾构开挖引起的地层回弹力、管片上浮量以及隧道上浮影响的地层高度范围,并通过对珠江狮子洋工程管片上浮量的计算与实测对比,证明该公式的合理性,为盾构隧道工程中考虑地基抗力引起的管片上浮量预测提供一种新的方法。     

超大直径水下盾构隧道近接施工力学行为分析

为探明海域复合地层条件下,水下超大直径盾构公路隧道近距离开挖对既有隧道的影响,文中以珠海横琴马骝洲交通隧道为研究背景,采用数值计算和现场试验相结合的方法,得到了由盾构施工引起的既有隧道附加内力及变形变化规律。分析数据可知:盾构施工会引起管片的二次附加内力,拱顶弯矩和拱底轴力受隧道开挖的影响程度较大;由开挖引起地表沉降影响范围约为5倍隧道洞径,盾构在近距离施工产生的荷载对既有隧道有挤压变形的效果,两侧拱腰会随着隧道掘进而逐渐向内产生二次收敛变形。     

地形变化对水下盾构隧道合理覆土厚度的影响研究

采用泥水平衡盾构在软土地层中开挖隧道,确定浅埋段的合理覆土厚度是一个重要的技术难点,而河床地面坡度的变化增加了问题的难度。本文依托某过江通道工程,建立盾构隧道在软土中掘进的计算模型,采用理论分析和数值模拟的方法研究地面坡度变化对合理覆土厚度的影响规律,得到如下结论:粘土地层的最小极限支护压力由盾尾通过计算断面时的计算值控制,砂土地层的最小极限支护压力由切口通过计算断面时的计算值控制。合理覆土厚度随河床地面坡度的增加而增加,对于粘土地层,当河床地面坡度大于20°时必须采取辅助施工措施。本文的研究成果对水下盾构的合理覆土厚度的选取提供了依据。     

盾构隧道穿越软硬不均地层时掌子面稳定性分析

在盾构隧道施工中，由于地层条件以及盾构掘进参数设置的多变性，使盾构给予开挖面的支护压力有较大的波动。针对广东肇庆市盾构隧道穿越软硬不均地层的施工，运用数值模拟研究由于开挖面支护压力变化而引起的地层变形规律、开挖面失稳后的破坏状态，并最终确定使开挖面保持稳定的极限支护压力。     

基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

针对饱和砂土地层盾构隧道施工中的突水涌砂灾害问题，以上海市轨道交通某盾构区间为研究背景，将自主研制的灾变可视化试验模型与透明土技术相结合，对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。结果表明： 1)盾构隧道突水涌砂灾害发生后，隧道裂隙孔口上方部分区域的土颗粒密实度减小，砂土发生剪切破坏。2)在灾变前期，土颗粒竖向位移场呈椭圆状等值线分布，颗粒位移速度随与隧道中心水平距离的增加而非线性地衰减，当隧道埋深为2D（D为隧道直径）时，水平向影响范围为3D。3)随着灾变的发展，土颗粒位移速度先增大后减小，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒的体积分数占比持续减少，最大程度地还原了隧道突水涌砂后期的灾变现象。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

盾构隧道施工对既有铁路箱涵结构的影响研究

依托武汉地铁3号线盾构隧道下穿合武线铁路工程，采用三维数值计算方法模拟盾构施工全过程，分析盾构掘进对铁路箱涵结构变形及地表沉降的影响规律。研究结果表明:盾构施工导致既有箱涵结构产生以沉降为主的附加变形，沉降最大值出现在结构底板处；盾构掘进过程中，地表变形呈先隆起后沉降的规律，盾构开挖面到达分析断面前后各1倍洞径距离范围内地表变形波动较大；箱涵变形值随隧道埋深的增大呈减小趋势，当埋深增加到一定程度后，轨面沉降仍大于限制值，需采取合理的地层加固措施，以减小施工对既有结构的影响。     

北京地铁隧道地表横向沉降槽参数分析

为解决北京地铁隧道施工不同影响区划分和影响范围确定的不准确问题,对北京地区13 条地铁线路、903 份隧道工程的地表横向沉降槽资料进行分析,根据施工方法和地层条件的不同,分别对盾构法和矿山法施工隧道在黏性土地层、砂卵石地层等区域的沉降槽Peck 公式拟合参数进行统计分析,得出地层损失率和宽度参数的分布形态、相关统计值以及与隧道相对埋深的相关性。研究结果表明: 1)地层损失率和宽度参数的数理统计结果可以很好地指导北京及类似地层条件的城市地铁隧道工程影响区划分和影响范围的确定; 2)施工方法和地层条件是影响地铁隧道周围地层变形的重要因素,工程地表变形控制应注重相关研究; 3)建议各地深入开展地铁隧道沉降槽的拟合分析研究,为隧道工程影响区划分和影响范围确定提供科学依据。     

盾构隧道下穿既有铁路路基及框架箱涵地表沉降分析

为研究盾构隧道下穿施工对地表沉降影响,依托武汉地铁3号线区间盾构隧道工程,运用ANSYS有限元软件对盾构隧道在不同埋深条件下下穿路基和箱涵进行模拟,得到了不同埋深盾构隧道下穿施工对既有的路基和箱涵及对应地表沉降扰动规律,将对应的地表沉降与Peck公式预测的地表沉降进行对比分析,总结了盾构下穿施工与Peck公式预测的地表沉降之间异同。结果表明:①随着埋深的增加,盾构隧道下穿施工导致地表沉降减小,沉降槽宽度逐渐增加;②先行线对地表沉降的影响较后行线大;③盾构隧道下穿箱涵施工的地表最大沉降与Peck公式预测值十分接近,而隧道下穿路基的地表最大沉降比Peck公式预测值偏小。     

浅埋平顶大跨隧道穿越流沙层暗挖施工技术

穿越富水砂层一直是浅埋暗挖隧道的难点。以深圳某交通隧道为依托介绍在地质以流砂层和淤泥质砂层为主、隧道结构为大跨度、平顶、浅埋和小曲线半径的情况下,采用一系列措施使隧道顺利贯通、并有效地控制地表沉降的施工实例。     

无锡软土地层盾构施工下Peck公式的修正

在地铁隧道施工过程中,引起地表沉降的因素较多,致使一些常用的地表沉降评价预计方法出现较大的偏差。为了研究由于地铁隧道施工而引起的地表沉降问题,以无锡地区地铁隧道开挖过程中大量地表沉降实测数据为基础,采用数学方法,引入两个修正系数,即地表最大沉降修正系数α和沉降槽宽度修正系数β,修正Peck公式中两个重要参数(沉降槽宽度系数K、地层土体损失率η),以适应无锡软土地区研究区段的工况。研究表明:地表最大沉降修正系数α介于0.5~0.9,沉降槽宽度修正系数β介于0.5~0.9,此时沉降槽宽度系数K介于0.40~0.70,底层土体损失率η介于0.4%~0.9%,得到修正后的Peck曲线与地表实测沉降数据更吻合。     

大埋深富水裂隙岩层土压平衡盾构填舱注浆施工技术

为解决穿越大埋深富水节理裂隙发育岩层的土压平衡盾构隧道施工过程中发生的开挖面涌水和地表沉降过大的问题,依托广佛环线沙堤隧道工程,对土压平衡盾构填舱注浆施工技术进行研究,并利用有限差分软件FLAC3D对填舱注浆技术进行数值模拟分析。研究结果表明： 1)土压平衡盾构穿越深埋富水裂隙岩层时,隧道洞周围岩变形较小,而地表沉降及建筑物变形对地下水流失较为敏感; 2)将气压平衡和土舱填舱注浆处理技术相结合,辅以微扰动等施工控制方法的填舱注浆成套施工技术能够有效解决施工过程中的喷涌现象及地表建（构）筑物沉降过大的问题; 3)采用填舱注浆技术进行堵水时,应保证开挖面内填舱注浆范围和注浆参数选取的合理性,并应考虑注浆厚度对施工进度的影响。     

盾构隧道近距离下穿机场高速桥梁加固措施优化研究

以成都轨道交通19号线二期工程龙桥路站—双流机场站区间盾构隧道近距离下穿机场高速桥梁工程为依托，通过数值模拟结合现场实测，对典型隧道开挖步下的地层沉降和既有机场高速桥梁变形进行分析，对比研究不同加固措施下地层及机场高速桥梁的变形响应。研究结果表明:随着盾构隧道的不断推进，桥基向隧道开挖面偏移，变形量不断增加；3种隔离桩防护措施均能对盾构隧道掘进引起的地层扰动起到缓解作用，其中双排钢花桩和双排钻孔旋喷桩能有效控制桥基变形。     

盾构下穿对既有铁路路基影响的模型试验研究

为研究盾构隧道开挖对既有铁路路基的影响,基于相似比理论建立室内大型试验模型,模拟盾构开挖扰动作用下周围土层及既有铁路路基的受力变形过程。结果表明:模型试验能较好地反映盾构下穿对土层及地表线路的影响;盾构隧道轴线方向各土层土压力变化较两侧明显,其中在一倍洞径范围内土体是受扰动影响的重点区域;模型试验中盾构下穿开挖导致既有线路沉降变形呈近似线性,若增加埋深,既有路基沉降速度及沉降量将大幅降低。建议在盾构施工前对既有铁路的下穿段路基进行加固,确保行车安全。