弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

砂土地层地铁盾构隧道施工对地层沉降影响的模型试验研究

为研究地铁盾构隧道施工扰动下不同埋深处砂土地层损失差异及沉降模式,以干砂为填料,通过逐步释放土体模拟地层损失,对砂土地层盾构隧道施工时由土体损失产生的地表沉降和土体内部地层沉降进行模型试验研究。结果表明:在砂土地层盾构隧道施工过程中,地层损失从地表向下以幂函数形式增长,最大沉降和沉降槽宽度系数与地层损失呈很强的正相关性;随着地层埋深的增加,沉降模式由高斯曲线形式过渡为烟囱状形式,沉降槽宽度系数在增加到一定数值后保持相对稳定状态,而最大沉降持续增长,对地层损失的增加起主要作用。基于统计分析原理,针对砂土地层的高斯沉降模式,建立了不同埋深处砂土地层损失与地表损失间的关系,提出不同埋深处砂土地层损失的计算公式,并结合试验数据修正了不同埋深处砂土地层的最大沉降以及沉降槽宽度系数的计算公式,最终得到不同埋深处地层沉降的计算公式。     

砂土液化地层盾构隧道加固设计研究

砂土液化地区盾构隧道后期运营沉降量大、管片病害多、维修难度高,采用有效的地面加固形式有利于减少盾构掘进期间地层损失、土体固结造成的地面沉降及盾构隧道运营期间的病害。以佛山地铁2号线工程为实例,基于连续介质模型的基本原理,简化建立地层-结构空间计算模型,计算分析盾构掘进时不同洞内加固及地面加固形式对地面沉降的影响规律,并通过现场监测数据进行验证。结果表明,当采用洞内加固及地面加固方案1时,能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达60%及83%;在砂土液化地层洞内注浆时,注浆压力需控制在0.3～0.5MPa,注浆流量控制在10～15L/min。     

盾构隧道注浆纠偏模型试验研究

针对已建盾构隧道注浆纠偏加固的问题,设计并进行常重力模型试验,根据纠偏试验的参数建立三维有限元模型。基于有限元模型研究不同注浆压力和注浆位置下隧道变形的发展规律。试验和数值分析结果表明,在隧道的侧下方注浆,会使已建隧道产生水平向位移和竖向抬升,隧道横断面整体受压,局部受拉,水平直径减小,竖向直径增大。随着注浆压力的增大,隧道轴线的水平位移均增大,隧道断面变形程度增加。随着注浆深度的减小,隧道轴线处的水平位移逐渐减小,断面变形程度减小。     

地表超载作用下软土地区既有盾构隧道与地层的相互作用分析

关于地表超载对既有盾构隧道的影响,现有分析计算理论将包含盾构隧道的地层视为完全土质地层,忽略了地表超载过程中既有隧道与地层相互作用导致的盾构隧道周围附加土压力。从盾构隧道上覆土层的土体间沉降状态来看,地表超载与隧道原有上覆土层对盾构隧道的影响不同,有必要单独考虑地表超载对既有盾构隧道的影响。在模型试验的基础上,开展既有盾构隧道与地层相互作用分析。结果表明:地表超载导致的既有盾构隧道附加土压力与隧道穿越土层、上覆土层及下卧土层的物理力学性能有关,也与盾构隧道的横向刚度有关;若按照现有理论计算软土地层中既有盾构隧道的允许地表超载,结果偏危险。     

岩溶地层中的盾构隧道施工

研究目的：岩溶地层中采用盾构法施工在国内尚属首次。盾构掘进中可能发生盾构机栽头、陷落，地层大量失水、坍塌，严重差异沉降而致隧道结构破坏等事故。对溶洞的空间分布、大小及充填情况，溶洞处理，盾构掘进技术措施3个方面进行深入研究，并组织精心设计、精心施工，以保证施工及运营安全。研究方法：采用多种勘查手段分析岩溶地层，充分注重盾构机及盾构施工的特点，比选、优化设计施工方案。研究结果：顺利完成岩溶段盾构隧道施工，验证了勘查及加固方案，填补了国内的空白。研究结论：综合运用多种探测方法对探明溶洞的分布很有成效；根据盾构施工特点制定地层加固方案并有效实施以及对盾构机设计进行针对性的改进并采取相应的掘进技术措施都是适宜的。     

复合地层盾构隧道施工与变形控制技术

广州市轨道交通四号线大学城专线仑头～大学城站盾构区间隧道长2529．5m，覆土埋深7．0～50．0m，左右单线分离式隧道，线间距12．7～15．7m。盾构区间穿越粉细砂残积土层、全风化～微风化红岩或混合岩层，沿线地层变化幅度大，上下软硬不均；穿越了570m宽仑头海、283．5m宽官洲河、约200m长微风化红岩硬岩段。地面建筑物密集，共有117幢建筑位于设计线路上，建筑物绝大部分采用了天然基础，采用桩基础的建筑物仅5幢，地面环境复杂。     

滨海城市填海区复杂地层地铁盾构隧道设计研究

填海淤泥区复杂地层具有软弱且固结沉降未完成的特点,在此类地层建设地铁盾构隧道,设计上有别于其他地层。为研究该地层下盾构隧道的设计方法,结合深圳前海湾填海区鲤鱼门站-前海湾站区间隧道设计情况,采用对比分析的方法,对填海淤泥区复杂地层中地铁盾构隧道的设计进行了分析,得出该地层盾构隧道的一般设计方法,并提出相应的结论和建议。     

新建两并行盾构隧道下穿高铁隧道模型试验研究

为研究新建盾构隧道下穿施工对既有高铁隧道的不良影响,采用离心模型试验模拟两并行盾构隧道下穿高铁隧道开挖施工。研究了两并行盾构隧道下穿施工时既有高铁隧道结构内力、拱顶变形、拱底变形和地面沉降的变化规律,同时考虑高铁隧道沉降缝对其结构的影响。模拟研究表明：后行盾构隧道开挖引起的不利影响小于先行盾构隧道开挖引起的不利影响;对于无沉降缝的既有隧道,仰拱和拱顶纵向沉降分别呈U形和反U形;考虑沉降缝时,既有隧道拱顶、地面沉降值增加了100%以上,既有隧道最大纵向弯曲应变、剪应力减小了60%;沉降缝的存在不会改变高铁隧道的横向弯曲应变和变形趋势,但是在数值上会有所降低。     

双孔盾构隧道地表位移离心机模型试验研究

采用室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,通过定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模拟盾构隧道的地层损失。研究了横断面地表沉降的量值、分布规律以及随盾构推进距离的变化规律,并提出相应防护措施。结果表明:水囊注放水方法可以有效模拟盾构隧道地层损失;盾构推进距离和隧道相对位置关系对地表沉降的量值和分布规律有显著影响。     

破碎带地层盾构隧道建造关键问题

断层破碎带是引起盾构隧道施工灾害的关键因素之一,其形态各异、岩性复杂以及高渗透性,都极易导致隧道涌水、塌方等施工灾害,给隧道安全高效掘进带来了巨大挑战。总结分析断层破碎带的形成机理,包括破碎带地层的形成原因、破碎带地层的岩体性质及其与盾构施工安全之间的内在联系。重点介绍了近年来盾构隧道穿越破碎带所面临的刀具磨损、开挖面稳定控制、同步注浆质量控制、衬砌外水土压力确定、破碎带地质预报和地层处理等方面问题。结果表明：断层破碎带岩体破碎,黏聚力低,渗透系数从10^-5～10^-3 cm/s不等,且含水率较高;对于高水压断层破碎带管片结构防水应采取防、排结合,以排为主、以防为辅;含断层破碎带盾构隧道工程建设应做好断层破碎带的综合超前地质预报,将传统的地质分析法、超前钻孔法等与新型探测技术、数字技术相结合。研究结果可为盾构隧道穿越断层破碎带提供借鉴与指导,对进一步提高中国隧道及地下工程建设水平有着积极意义。     

软土地层盾构隧道纵向沉降研究进展

概述了软土地层盾构隧道纵向沉降引发的各种问题,分析了有关隧道纵向沉降方面的主要研究成果.其中包括各种软土隧道纵向结构的理论解析分析模型,土隧道结构共同作用的解析模型等.在介绍目前研究不足的基础上,指出需要通过相似程度更高的模型试验、更多的现场实测数据、与实际土层性质更吻合的地基模型,进一步研究软土地层盾构隧道的纵向沉降特性、纵向结构性能.     

软土地层盾构隧道处置方案研究

台州属典型的软土地区,广泛分布厚层状软土,隧道主要位于流塑状淤泥和软塑、局部流塑黏土层中。在该类土层中修建隧道易出现施工期沉降及工后长期沉降大的问题。在参考国内软土地区相关工程经验的基础上,提出针对台州软土盾构隧道的不同处置方案,并进行技术、经济比较,以期为后续工程及类似工程的设计、施工提供参考和借鉴。     

盾构隧道正交下穿施工对既有隧道影响的模型试验与数值模拟

在城市地铁工程中,经常出现新建隧道施工近接既有隧道的情况,包括隧道水平、竖直和倾斜平行以及上下正交和斜交等,新隧道的掘进不可避免地对既有隧道产生影响。本文针对盾构法新建正交下穿隧道,以广州地铁3号线大塘-沥滘区间盾构隧道为背景,采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段,引入横向和纵向等效刚度折减系数,对盾构隧道正交下穿施工所引起的既有隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,得到围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道正交下穿施工所引起的既有隧道的变形和附加内力分布变化规律。     

基于地层损失的复合地层盾构隧道施工沉降研究

盾构隧道施工诱发地面沉降的影响因素较多,但主要因素可归结为地层损失引起的地层变形。基于现有地层损失的理论,对引起地层损失的注浆过程进行模拟,依此研究复合地层盾构隧道施工对地层沉降的影响。研究结果表明:隧道贯通时,土体最大沉降和隆起区域分别位于隧道拱顶和拱底;浆液的硬化会对地表和拱顶的沉降速率产生影响,当浆液弹性模量达到最终硬化的75%时,地表和拱顶的沉降速率达到最大值并开始逐步减小;地表和拱顶沉降随浆液的逐步硬化而趋于稳定,且拱顶沉降趋于稳定的速率更快。     

复合地层盾构姿态纠偏与隧道成型质量控制

盾构法施工时盾构机的姿态控制是确保盾构法隧道成型质量的关键。盾构机在均一地层地质中掘进时盾构掘进控制较为容易,但在上软下硬的复合地层中掘进时容易出现刀具偏磨、地面沉降不易控制、盾构姿态纠偏困难等问题。本文依托盾构机在典型的上软下硬复合地层中遇到姿态出现向下纠偏困难的情况为背景,通过对地层地质、盾体姿态、盾构掘进参数及隧道管片成型姿态等数据进行综合分析,采取多种纠偏措施以及质量控制措施,使得盾构机姿态得以顺利完成纠偏且隧道质量得到良好控制的效果。此案例可为类似地下工程施工提供借鉴经验。     

可液化砂土地层盾构隧道地震响应研究

研究目的:本文以佛山地铁2号线盾构区间工程为依托,现场取样砂土,通过动三轴试验获取原状土体和加固土体计算参数,运用有限元分析软件ANSYS进行计算分析,对可液化砂土地层盾构隧道在横向地震波激励下的动力响应和地层加固减震效果进行量化研究与评价。研究结论:(1)在横向地震荷载作用下,地层与结构的地震响应峰值与地震波峰值在时间上并不同步,且地层与结构的地震响应发展规律差异亦较大,衬砌第一主应力最大值1.69 MPa;(2)隧道周围地层采取加固措施后,地层强度参数越大,管片位移降幅越大,主应力增(减)幅越大,可满足隧道强度和运营要求;(3)考虑到盾构掘进过程对邻近建筑物的影响,建议砂土地层地基加固采用每立方米掺入400 kg超细水泥的加固方案;(4)本研究结果可应用于可液化砂土地层盾构隧道抗震设计和选取加固措施。     

地铁盾构隧道穿越瓦斯地层的施工技术

介绍了武汉轨道交通2号线一期工程汉口站至范湖站区间盾构隧道成功穿越低瓦斯地层的地质及施工情况.就目前的技术水平和存在的不足,提出了瓦斯地层勘察的基本要求.分析了瓦斯地层修建隧道的风险因素和风险源.针对性地提出了瓦斯地层隧道的电气设备防爆改造、监控监测系统、隧道通风系统、盾构掘进参数、施工工艺、人员培训等方面的技术措施、方案和技术参数.     

长距离硬岩地层的盾构隧道施工技术

深圳地铁3号线3102标段翠竹站-田贝站隧道左线所处地层以硬岩为主,区间以盾构法施工为主,矿山法施工为辅。在总结翠田左线施工经验的同时对盾构长距离穿越硬岩地层的施工方法和经验进行介绍,通过合理的配置刀盘刀具,以适宜的掘进模式选择合理的掘进参数及同步注浆参数,同时加强对刀具的管理,可以很好地解决盾构在长距离硬岩段遇到的技术难题。