双连拱地铁隧道施工关键技术及力学行为模拟

研究目的:本文依托西安地铁5号线雁鸣湖停车场段双连拱隧道浅埋暗挖工程,结合该工程中导洞+上下台阶施工方法,探讨双连拱地铁隧道在黄土地区应用的关键技术,并从地表沉降、对既有隧道影响、新建隧道衬砌应力变化及变形规律四个方面论述双连拱隧道施工的力学行为变化规律。研究结论:(1)受中导洞分割作用,左、右正洞施工相互影响微弱,其初衬变形规律基本相同,双连拱隧道施工引起的地表沉降可以认为是中导洞、右洞、左洞独立开挖引起的地表沉降的叠加;(2)当前施工方案下既有隧道主要产生整体性偏移,最大水平位移及竖向位移分别为7. 2 mm、5. 5 mm,而其最大拱腰收敛量仅为2. 25 mm,最大应力变化量仅为0. 35 MPa;(3)初衬拱顶沉降可分为三个阶段:迅增阶段、缓增阶段、稳定阶段,其中迅增阶段(超过监测断面2倍洞径以内)为施工过程中的关键阶段,施工过程中应加强监测,并根据实测数据采取相应保护措施;(4)初衬施工过程中,随着后行洞的开挖,中隔墙受力逐渐对称,墙中心水平偏移及墙角应力偏差减小,初衬施工结束时中隔墙受力及变形已基本恢复对称;(5)本研究可为黄土地区城市地铁双连拱隧道施工关键技术及力学行为规律的进一步研究提供有益参考。     

浅埋暗挖矩形隧道施工方案比选研究

针对某新建地铁浅埋暗挖矩形隧道的工程特点,采用FLAC3D软件对各导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟。通过对比分析地表沉降、隧道拱顶沉降、底板隆起位移、初期支护内力等指标,寻求区间隧道周边地层变形及结构受力的特点和规律,从而选出最优的施工方案。研究表明:矩形隧道断面6导洞(先中间后两边)非对称开挖顺序可有效控制地层变形和结构受力;地铁区间隧道地表沉降曲线呈现"凹槽"形状,在隧道横断面方向影响范围约为4倍开挖跨度,掌子面开挖过后监测断面处地表沉降量所占比例约为60%;隧道拱顶沉降和底板隆起位移大部分发生在掌子面位于监测点前后10 m范围内,各导洞开挖顺序对支护结构内力影响较小;工程应用实践表明采用推荐的6导洞施工方案是安全可行的。     

洞桩法施工引起土体变形的规律研究

研究目的:洞桩法作为一种修建地下车站的新兴工法,发展迅速,但其已有的研究成果主要集中在地表沉降及管线变形上,忽视了地下结构与土体的相互作用,尤其缺乏对于四洞三跨结构洞桩施工引起土体变形研究。本文以北京地铁16号线苏州街站工程为背景,基于实测数据对导洞开挖阶段地表沉降的发展及分布规律进行分析,并结合有限元方法动态模拟地铁车站洞桩法施工过程,研究四洞三跨结构洞桩法各施工阶段引起的土体变形规律。研究结论:(1)多个相邻导洞同时开挖会引起"群洞效应";(2)对地表沉降影响最大的主要是导洞开挖、初衬施工及二衬施工这三个阶段,占总沉降量的比值分别为32%、55%和7%;(3)二衬施工完后,支护体系初步形成,除开挖面底部土体因卸荷产生竖向隆起外,其他土体主要以水平变形为主:拱顶上部土体向车站中心发生一定水平位移,同时拱顶两侧土体受支护结构伸张变形的影响,向车站外侧发生明显水平位移;(4)本研究结论可为洞桩法的推广与应用提供理论依据,并可为类似工程的施工与设计提供参考。     

无中导洞连拱隧道施工方案优化分析

本文以云南香丽高速上长坪隧道为研究背景,利用有限元软件对无中导洞连拱隧道施工方案及施工工序进行二维计算分析。通过对不同工况隧道开挖后地表和拱顶沉降、围岩应力以及支护结构内力进行对比分析,结果表明:对于不同工法而言,左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工况而言最大能减小19. 86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序而言,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显;不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内;连拱隧道左洞开挖完后,右洞的第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

土岩复合地层隧道群洞施工力学响应研究

为探究小净距隧道群洞穿越不同地层施工引起的力学响应,基于青岛地区土岩复合地层特殊地质条件,通过数值计算并结合现场测试数据,分析小净距地铁隧道群洞施工引起的地表沉降、应力特征、拱顶变形规律。结合工程实际,将隧道群洞施工划分为4个不同阶段并依此分析,结果表明:隧道群在其阶段Ⅳ施工后引起地表沉降变形较大,其他阶段地表沉降无明显变化;不同开挖阶段对夹岩的扰动程度存在差异,阶段Ⅳ施工使夹岩主应力出现剧烈变化,且夹岩最薄弱处最不利状态发生于阶段Ⅳ,但无剪切破坏现象;隧道拱顶沉降最大增量在该条隧道开挖后出现,上线隧道施工显著影响其他隧道拱顶沉降,且能够引起中线隧道拱顶抬升。研究成果为同类工程的施工稳定性分析提供了现场指导和技术支持。     

黄土地区浅埋暗挖地铁连拱隧道合理错距研究

研究目的:以西安地铁5号线雁鸣湖停车场段暗挖双连拱隧道工程为背景,采用有限元分析方法对主洞开挖过程进行模拟,研究开挖错距(0 m、15 m、30 m、60 m)对地表变形、拱顶沉降、拱腰净空收敛及拱顶应力的影响规律,并结合现场监测数据对黄土地区浅埋暗挖地铁双连拱隧道合理错距进行研究分析。研究结论:(1)四种方案下地表沉降值最大相差仅0.5 mm且均满足规范要求,横向地表影响范围大概在连拱隧道中线两侧约3倍隧道跨径内;(2)拱顶沉降和拱顶应力变化主要集中在隧道上台阶施工阶段,当错距超过30 m后,拱顶最终沉降值及应力值基本不受错距变化的影响;(3)错步方案下先行洞拱腰净空收敛值均大于后行洞,且随着错距的增加,后行洞开挖对先行洞拱腰净空收敛的影响逐渐减小;同步开挖过程中不存在偏压问题,且拱腰净空收敛值比其他三种方案小;(4)同步开挖方案与其他错距方案相比较,未引起过大地表沉降及拱顶沉降,且拱腰净空收敛相对较小,综合考虑安全性、经济效益和施工效率等因素,在黄土地区类似工程中建议优先采用两主洞同步开挖方案;(5)本研究可为黄土地区城市地铁双连拱隧道主洞开挖施工方案优化及力学行为研究提供有益参考。     

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。     

双侧壁导坑法隧道施工引起的地表沉降分析

以哈尔滨地铁大断面隧道为背景,对双侧壁导坑法施工诱发的地面沉陷及隧道本身的变形规律进行研究。利用MIDAS/GTS建立空间有限元模型,采用数值模拟和实际监测数据相结合的方法,对地表沉降、拱顶下沉进行分析。研究结果表明:地表沉降曲线呈"漏斗"状,且沿开挖导洞中线呈对称分布,影响范围约为2. 5D(D为隧道洞径);左上导洞(1号导洞)、右上导洞(2号导洞)、中上导洞(5号导洞)开挖是引起地表下沉的主要原因;拱顶沉降主要发生在距开挖面15 m(1倍隧道洞径)范围内,最大下沉值为-17. 79 mm,占拱顶总沉降量的66%;采用超前加固的方式控制拱顶下沉效果显著,数值仿真结果与实际监控量测数据吻合较好。MIDAS/GTS有限元数值仿真软件可以有效地预判地层变形。     

高寒地区地铁隧道沉降规律研究

以哈尔滨地铁3号线湘会暗挖区间右线隧道施工监测为背景,通过对地铁施工过程中地表沉降监测点和拱顶沉降监测点累计沉降值的分析,总结哈尔滨地铁在隧道开挖过程中地表沉降和拱顶沉降的变化规律。发现隧道开挖过程中纵向地表沉降主要发生在上台阶掌子面通过监测断面前1.6 B(B为洞宽)到通过监测断面后4.8 B范围内,并对比冻融对地表沉降造成的影响;横向地表沉降主要发生在距隧道中心线两侧3.2 B范围内,给出横向地表沉降数学表达式并计算出沉降槽宽度参数建议值为k = 0.78,其结果与实测结果吻合较好;隧道内拱顶沉降主要发生在上台阶掌子面通过监测点前1.6 B到通过监测点后3.2 B范围内;隧道内初期支护体系的设置对控制拱顶沉降有明显作用。     

隧道施工地层扰动特性分析

研究目的:地铁修建过程中面临大量穿越或临近建(构)筑物的情况,为确保施工安全,应把握施工引起的地层变形规律。本文利用三维非线性有限元模型和相关解析理论,展开对隧道施工后在不同埋深和不同施工控制水平下地层变形规律的研究。研究结论:(1)隧道施工影响半径受埋深和施工控制水平的双重影响;(2)施工影响范围随拱顶沉降的增大而增大,当拱顶沉降增大到一定值后,影响半径达到最大值,此时地层发生剪切破坏;(3)在粉土和粉砂土为代表的典型复合地层中,地表沉降与拱顶沉降的关系、影响半径和拱顶沉降的关系、影响半径与地表沉降的关系分别可用考虑埋深影响的线性函数、二次函数、幂指数函数公式表示;(4)地表沉降斜率与地表最大沉降量的关系可用幂指数函数形式表示,埋深越大,地表沉降斜率越小;(5)本研究成果可应用于地铁穿越工程。     

黄土地区浅埋地铁隧道双侧壁导坑法施工参数优化

依托西安地铁4号线雁南四路站—大唐芙蓉园站的大断面黄土隧道开挖工程,基于MIDAS/NX数值模型优化并确定洞室开挖最优掌子面间距,根据施工监测数据分析了隧道地表沉降和变形收敛特征,验证了掌子面间距设置的合理性.研究结果表明:隧道掌子面间距对地表沉降、拱顶沉降及围岩变形的影响规律一致,上方地表形成了单峰V字形沉降槽;隧道...     

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。     

盾构诱发的地表及邻近建筑物变形规律研究

研究目的:以北京地铁八号线某区间隧道盾构工程为依托,采用FLAC模拟预测盾构施工引起的地表及其附近建筑物的变形规律,为盾构隧道施工安全通过地表建筑物时的合理施工参数确定和现场监测方案的制定提供技术支撑。研究结论:(1)采用数值模拟得到北京地铁隧道盾构施工引起的地表变形规律,地表横向沉降曲线在水平方向上基本对称,建筑物对其周围区域地表变形影响较大,对其所在区域地表变形影响相对较小,最大差异沉降为8,09 mm;(2)数值模拟预测结果表明两隧道开挖对地表影响的范围主要在两隧道中心左右各36 m,开挖面影响区域为开挖面前方24 m及开挖面后方20 m范围内,施工时应重点监测;(3)实践表明实测曲线与数值模拟曲线吻合较好,数值模拟是预测盾构施工对地表及邻近建筑物变形影响规律的有效手段;(4)研究成果可用于地铁盾构施工对地表邻近建筑物的变形控制方案的制定。     

盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工技术研究

成都地铁5号线为满足车辆调度需求,在九兴大道站小里程端采用左线盾构隧道与右线大断面浅埋暗挖隧道的双线并行布设方案,双洞净距2.9m。本文以该超小净距隧道为背景,采用数值模拟方法对隧道开挖时地表沉降规律及夹层土体应力状况进行了分析。结果表明,无论何种开挖次序,先行隧道的开挖均会导致后行洞开挖引起的地表沉降曲线向先行洞偏移并有所增大;由于左线小断面盾构隧道施工扰动理论上较小,因此先施工右线大断面浅埋暗挖隧道后再进行左线盾构隧道的施工顺序更为合理;先浅埋暗挖后盾构隧道施工造成的地表沉降值在两洞中间区域略小于先盾构后浅埋暗挖隧道施工;双线隧道通过后地表沉降槽呈现出"U"形状态,盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1/4;双线开挖过程中中间土体在浅埋暗挖隧道一侧受施工的影响更为明显,应重点关注。     

单边扩帮特大跨公路隧道开挖稳定性分析

通过现场试验、理论分析及数值模拟计算,对深圳横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段的围岩力学参数和动态施工力学进行研究,对扩挖修帮段进行深部位移监测得到反挖修帮造成的拱顶下沉和洞周水平收敛的实测数据,并基于神经网络BP模型反演隧道围岩力学参数.采用有限元软件对横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段建立三维有限元模型,分析隧道各开挖阶段对地表沉降的影响以及研究隧道各开挖阶段对隧道拱顶、拱脚和竖墙脚各点应力的影响.     

大断面隧道小净距上跨既有隧道施工方案优化北大核心

成都市轨道交通17号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间隧道上跨既有7号线盾构隧道采用交叉中隔壁法施工。通过数值仿真结合现场监测,分析大断面隧道以小净距上跨施工时既有隧道拱顶隆起与地表沉降的变化规律,并通过分析新建隧道初期支护厚度、钢拱架间距、单次拆撑长度对既有隧道拱顶隆起和地表沉降的影响,对原施工方案进行了优化。结果表明:先行开挖的两个导洞施工对既有隧道拱顶隆起与地表沉降影响明显;既有隧道拱顶隆起与地表沉降随钢拱架间距和单次拆撑长度增大而增大,随初期支护厚度增加而减小。建议新建隧道上跨施工时采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合衬砌结构,钢拱架间距取0.4 m,单次拆撑长度取6 m。     

复杂条件下超大跨地铁车站施工仿真技术研究

研究目的：研究复杂条件下超大跨浅埋暗挖地铁车站施工时,不同施工工序下开挖引起的地层扰动对地表沉降及拱顶下沉的影响规律。研究方法：以某超大跨浅埋暗挖地铁车站作为工程背景,利用ANSYS有限元软件作为开发平台,以浅埋暗挖隧道开挖支护理论为基础,采用平面应变模式,对双层两柱暗挖结构的三跨连拱隧道开挖支护全过程进行非线性仿真研究。研究结果：仿真计算结果与现场监测数据基本吻合,可以指导该类型隧道施工的地层沉降仿真研究、施工作业及信息化施工。研究结论：地表沉降影响范围约3倍洞径,最大沉降量为20.75 mm,拱顶最大下沉量为29.93 mm;超大跨隧道分部开挖“群洞效应”明显,在“上软下硬”围岩地层中,地层变形控制的关键工序是上部软岩断面的开挖支护,下部断面要减少爆破振动对地层变形的影响;大跨隧道开挖支护中,不同分部开挖引起的沉降量及沉降槽宽度是不同的。     

硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性研究

研究目的:青岛地铁2号线华楼山路站处于硬岩微风化岩层,设计两端采用复合式岩石喷锚支护和吊脚桩支护方式进行明挖,中间段采用三台阶七步暗挖法,并采用爆破施工。本文以该车站工程为背景,在施工过程中对车站主体及周边环境进行现场监控量测,分析硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性并总结变形规律,为类似工程施工提供参考。研究结论:(1)复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段地表沉降小,基坑开挖初期地表沉降快速增大,开挖至地板位置趋于稳定,明挖段最大沉降量小于暗挖段最大沉降量;(2)相同深度位置处,复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段锚杆内力小,吊脚桩深层水平位移呈"倒梯形"分布;(3)暗挖隧道内,拱顶沉降和净空收敛主要发生在三个阶段,即上台阶和中台阶左右两侧开挖阶段,下台阶开挖时开始趋于缓慢稳定;(4)该研究成果可应用于指导硬岩大跨度地铁车站的施工领域。     

公路小净距隧道纵向空间效应分析

为分析小净距隧道两洞室间的空间效应,采用Midas/GTS有限元分析软件对不同纵向间距下相邻两洞室掌子面隧道围岩响应特性进行分析,得到了围岩变形规律、中夹岩柱应力变化趋势、塑性应变变化特征,并给出两洞室间合理的纵向施工间距。研究表明,隧道拱顶沉降位移在其掌子面前方10 m趋于稳定,中夹岩柱沉降位移变化规律与洞室拱顶沉降变化规律具有一致性,隧道开挖对靠近先行洞一侧的中岩柱水平位移影响较大,在纵向2 m处位移最大;掌子面间距增大会扩大先行洞塑性区分布,对后行洞塑性区分布无影响;当0.5B≤掌子面间距≤1.5B时(B为隧道宽度),中夹岩柱主应力增加较快,当1.5B≤掌子面间距≤2.0B时,中夹岩柱主应力变化不明显,合理的纵向施工间距为2.0B以上。