浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位分析

研究目的:为了解浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位规律,本文结合西安地铁二号线依托工程,构建三维数值计算模型,对黄土地区浅埋暗挖地铁隧道施工的地表、地层纵、横向变形规律进行系统研究,以期提高黄土地区地铁区间隧道的修筑水平。研究结论:(1)双洞开挖的空间效应与开挖洞径和相对位置有直接关系,后开挖洞室掌子面距先行洞室测试断面两倍洞径左右时开始产生影响,开挖洞室到先行洞室测试面断面时,影响最大;(2)浅埋暗挖法施工中地表地层沉降基本经历缓慢变化、急剧变化及逐渐平稳三个阶段;(3)施工对地层的影响与埋置深度近成反比关系,随地层深度逐渐增加,施工对另一侧地层的影响则逐渐减弱;(4)沉降速率与距离监测断面成反比关系,随掌子面向监测断面的靠近而不断增大,而后随着掌子面远离监测断面而不断减小,呈漏斗形,最大值在掌子面过后的2~4 m的范围;(5)横向的地表沉降曲线呈宽底漏斗状,地层沉降曲线变为标准W形;(6)本文研究成果可为西安地铁修建中的地上地下重点文物和古今建筑的保护提供技术支持。     

基于Peck公式的盾构隧道施工引起的地层三维沉降预测

盾构隧道施工会诱发地层沉降,合理地预测地层沉降对于保护邻近地下结构具有重要意义。首先,通过分析地表与地表以下深层土体的沉降规律,建立二者之间的联系;然后,基于Peck公式,通过引入不同种类土体的参数a,掌子面地表位移释放率η以及地表纵向沉降最大斜率k,提出不同种类土体中单、双洞盾构隧道施工诱发地层三维沉降的计算公式;最后,利用工程实测数据进行了对比验证,并对相关参数影响规律进行了简要分析。研究结果表明:本文方法与实测数据吻合良好,验证了该方法的准确性和适用性;合理的控制先、后行隧道开挖距离可以有效地减小掌子面土体沉降;地层沉降槽形态变化系数C(z)可以较好地预测双洞隧道开挖时任一深度土体沉降槽的形态。文末通过对大量实测数据分析,给出了相关参数的取值范围,可为无工程经验地区提供参考。     

上软下硬地层盾构施工多源沉降数据演化规律

研究目的:上软下硬地层为城市地铁施工中的一种特殊地质,在这种地层中,盾构施工的条件与已有经验公式的假设条件存在差异,并有可能对衬砌、箱涵与管线结构造成工程风险。因此,有必要基于实际工程的监测数据进行针对性的研究。研究结论:本文基于长期施工监测数据的分析,对于某城市地铁上软下硬地层的盾构施工,有如下结论:(1)本区段单线盾构施工时,横向沉降槽形状会受到施工工况的影响,基本符合Peck曲线,最大沉降值大致位于开挖隧道中心线处,产生了较为显著的地表沉降,最大值接近30 mm;(2)本区段盾构施工地表沉降纵断面沉降曲线形状分为4个阶段,掌子面通过时出现较大日沉降;(3)本区段上软下硬地层盾构施工过程中,因为隧道衬砌、箱涵、热力管线自身具有一定刚度,盾构施工时结构沉降会小于土体沉降;衬砌沉降幅值在[-1,+2]mm区间,箱涵、热力管线沉降幅值在[-12,+1]mm区间;(4)本研究成果可为类似上软下硬地层地铁盾构施工设计与施工提供参考。     

富水圆砾地层地铁盾构隧道施工对既有管线变形影响规律分析

以南宁轨道交通2号线某区间盾构双线隧道先后通过与隧道间距不同的管线为工程背景,通过FLAC软件数值计算和现场监测相结合的方法研究了富水圆砾地层地铁盾构隧道施工对既有临近管线变形的影响规律。结果表明:随着地层深度增加,沉降槽宽度减小;管线最大沉降量出现在左线隧道中线上方;盾构刀盘通过2倍盾构外径范围后,管线沉降逐渐趋于稳定;管线沉降曲线受右线隧道开挖影响不再符合高斯曲线,同时管线最大拉应力呈增加趋势,而最大压应力呈减小趋势。研究结果可为类似工况下地铁盾构隧道的安全施工提供参考。     

盾构施工引起地层损失率变化特征

城市地铁盾构法施工对周围土体产生扰动引起地表位移是施工中必须重视的问题。当盾构隧道下穿既有隧道或管线等构筑物时,地层位移不可忽略。以北京地铁14号线方-十区间为背景,采用地层分层位移监测技术体系,通过多元回归分析和坐标转换等方法监测得到某一位置不同深度测点地层位移,研究不同深度地层的竖向位移分布特征以及随盾构推进的动态变化规律,并结合数值模拟进行对比分析。结果表明：地表和不同深度地层都呈现明显正态分布的沉降槽特征,沉降槽最大沉降值从拱顶传至地表过程中逐渐衰减且变形影响范围不断向两侧扩展,埋深较小的沉降槽宽而浅,埋深较大的沉降槽窄而深。实测结果及数值模拟均揭示了盾体通过阶段和盾尾脱出后阶段占有最终沉降较大比例,这为有效充填开挖间隙以及加强盾尾空隙注浆效果以有效控制地层位移提供理论支撑及指导意义。     

淤泥质土浅埋暗挖隧道下穿既有管线影响研究

研究目的:城市浅埋暗挖隧道经常近距离下穿既有建筑物,因此针对开挖引起地层及结构的变形影响研究具有重要意义。依托杭州市紫之隧道下穿既有地下管线工程,采用三维有限元数值模拟,研究在淤泥质地层中隧道底到地表距离H、隧道与管线夹角θ等因素对管线和地层变形的影响。研究结论:(1)与隧道交汇处的管线变形具有先缓慢沉降,接着快速沉降,最后逐渐趋于稳定的三阶段沉降规律;(2)管线的最小沉降量均位于管线的起始端,而最大沉降量随着θ的增大,逐渐从管线的末端向管线的中间段移动;(3)相同θ下,随着H的增大,管线最大沉降量逐渐增大;而相同H下,随着θ的增大,管线最大沉降量逐渐减小;(4)本研究成果可为淤泥质地层隧道下穿既有管线工程精细化设计与施工提供参考。     

软土盾构隧道局部渗漏引起的沉降计算与分析

饱和软土地层中的地铁盾构隧道,渗漏水是主要病害之一,也是引起隧道长期沉降的主要原因。以南京地铁某区间隧道为例,首先利用有限元软件ADINA中的渗流场计算得到不同渗漏位置(拱顶、拱腰和拱底)渗流达到稳定时的静水位分布情况;再将渗漏前和渗流达到稳定时相应的静水位的变化量从渗流场中导出,将其代入结构场进行隧道沉降计算,得到软土盾构隧道渗漏引起的沉降量和沉降时程曲线,并探讨了不同渗漏点位、不同下卧土层及埋深条件下隧道局部渗漏对长期沉降的影响规律。     

泥水盾构开挖面失稳破坏的颗粒流模拟研究

针对北京砂卵石地层大直径泥水盾构隧道开挖面稳定性和地表沉降的问题,采用颗粒流程序PFC2D研究砂卵石地层土体的颗粒流细观参数,从土体颗粒的摩擦系数和接触模量以及泥膜的厚度和黏合强度对开挖面的作用效果进行分析和评价。结果表明:土体的颗粒摩擦系数和接触模量以及泥膜的厚度和黏合强度对开挖面的稳定性有显著影响;土体颗粒的摩擦系数和接触模量越小,开挖面破坏越严重,地层坍塌轮廓越大,地表沉降槽越深;当土体颗粒的摩擦系数增大到2.4、接触模量增大到12×107 N·m~(-1)时,开挖面趋于稳定,地表沉降槽曲线平缓,地表竖向位移较小;泥膜的厚度和黏合强度越小,开挖面挤出变形越显著,越容易引起较大范围的地层变形,从而导致地表塌陷;当泥膜的厚度为20mm且泥膜黏合强度为1 400N·m~(-1)时开挖面稳定。     

大直径泥水平衡盾构浅覆土始发数值分析

依托新建京张铁路清华园隧道工程,使用有限差分软件对大直径泥水平衡盾构的浅覆土始发掘进进行数值模拟。结果表明,未加固地层条件下,盾构始发时开挖面无法自稳。通过对比分析不同加固范围条件下洞门中心土体的挤出变形以及地表沉降变化规律,提出盾构始发地层加固的最佳范围,并获得在该加固范围下土体扰动引起的地表位移分布特征。     

多因素影响下顶管施工引起土体变形计算研究

为解决圆形顶管施工穿越特殊地层(如下穿切割塑料排水板)时引起地层变形的影响分析等问题,考虑刀盘挤土效应产生的正面附加压力、顶管与土体之间非均匀分布的侧向摩擦力,因塑料排水管的切削而不能忽略的顶管机刀盘的正面摩擦力引起的地层变形,基于Mindlin解得到在顶管施工阶段地表竖向位移计算公式;最后结合顶管工程项目实例验证计算方法的合理性,并与实测结果对比。分析结果表明:考虑多因素共同影响的地表沉降曲线与现场实测值较为吻合,能够反映顶管顶进过程中纵向地表沉降规律,总体表现为先隆起后沉降。沉降最大值位于开挖面后方8 m左右处;隆起最大值位于开挖面前方5 m左右处。在本文所考虑的影响因素中,影响程度最大的是顶管刀盘的正面附加推力,在沉降变形最大值中占比约为80%,在隆起变形最大值中占比约为56%。选取不同断面分析对比不同深度处土体沉降情况,沉降突变及差异主要表现在顶管轴线两侧12 m范围内。沉降槽曲线近似服从正态分布,不同土层深度的土体沉降最大值均位于顶管轴线正下方。在土体深层沉降中,随着与顶管轴线距离的增加,曲线不再满足随着深度的增加沉降值增大,反而在距离轴线4~6 m远处出现反转,直至随着深度的增加沉降值反而减小。     

隧道盾构施工对邻近管线群位移影响的模型试验研究

隧道盾构施工会对邻近管线造成不利影响,但目前对管线位移的研究多集中在单一管线方面,考虑管线之间影响的研究较少。针对这一问题,开展砂土地层盾构施工对邻近管线群影响的室内模型试验,研究隧道盾构垂直下穿多条既有管线时对管线竖向沉降的影响。研究结果表明:当单一管线垂直于隧道开挖方向时,管线最大沉降发生在隧道正上方位置,沉降曲线形态关于隧道轴线呈对称分布,且符合Gauss曲线特征;当隧道垂直下穿双管线时,管线产生的竖向沉降曲线形态与单一管线基本一致,但管线最大沉降值较单一管线明显减小。通过对试验结果的归一化分析,提出管线间距对最大沉降影响的计算公式。     

盾构掘进对U形槽和桥梁桩基的影响分析

为研究双线隧道盾构掘进诱发地面U形槽和邻近桥梁桩基沉降的影响及控制措施,结合成都地铁4号线下穿复杂建筑群,对盾构掘进引起土体竖向变形的公式进行推导,采用Mohr-Coulomb建立隧道-地层-桥墩基础三维实体模型,模拟开挖过程中不同工况对地表U形槽沉降及邻近桩基水平位移和竖向位移的影响,并与理论公式推导结果进行对比。研究结果表明:盾构开挖引起的沉降主要由盾构正面推力、盾构机与周围土体之间摩擦力导致的土体竖向变形等构成,模拟计算得到的U形槽最大竖向位移为14 mm,公式计算得到的最大沉降为25 mm。桥桩基模拟计算和公式计算得到的最大沉降值分别为13 mm和21 mm。公式计算考虑的因素较模拟计算多,沉降值较模拟计算大,但趋势较为接近。     

基于随机介质理论的浅埋偏压隧道沉降预测

研究目的:在偏压地形中,隧道开挖引起的地层损失可能导致倾斜地表和水平地表的沉降或隆起,造成地层及地面上建筑物发生不均匀沉降,影响建筑物的安全,因此有必要对隧道开挖引起的地表竖向位移进行估算与分析。研究结论:(1)论文基于随机介质理论,推导了浅埋偏压盾构隧道开挖地表沉降公式;(2)通过理论推导修正了地表沉降公式计算所需的断面收敛区域U'-V';(3)计算过程中,为简化计算,采用极坐标改进了倾斜地表和水平地表沉降公式;(4)浅埋偏压条件下,倾斜地层坡度α≥45°时,位移变化速率明显加快;此外,地表竖向位移最大值同开挖单元深度与沉降半径之比呈现出一种线性关系;(5)隧道轴线到斜坡表面的垂直距离d3.5R时,地表竖向位移变化也会加快,所以隧道修筑应尽量选择在d≥3.5R的位置;(6)该研究成果可为浅埋偏压隧道开挖的地表位移预测提供一种新途径,为地表位移控制提供技术支持。     

地铁暗挖隧道下穿过街地道施工技术

南京地铁2号线上新区间的隧道下穿带有围护桩的金鹰过街地道.穿越段的地质条件差、富含地下水、管线密集,施工难度较大.采用长管棚支护和全断面劈裂注浆形成有效的超前支护,结合洞内跟踪注浆及桩基托换等辅助措施,改善了土体自稳性能,控制了土体的水土流失,并减小了隧道开挖引起的地层沉降,使隧道顺利下穿过街地道.     

基于流固耦合作用的富水砂卵石地层深基坑变形特性分析

深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成。长沙地区砂卵石地层透水性好、富水性强、水源补给充沛,地下水的影响更为明显。研究在富水砂卵石地层中深基坑开挖和水位下降引起的地面沉降、基底渗透稳定等影响与变化规律,具有十分重要的现实意义。对长沙富水砂卵石地层地铁深基坑降水与开挖施工过程进行流固耦合数值模拟,计算结果表明,砂卵石地层中基坑开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围更大;最大沉降位置更靠近围护结构,沉降曲线表现为较陡;地表沉降速度初期较快,后期较慢;最大渗流力主要分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处。针对长沙富水砂卵石地层深基坑特点,提出注浆封底加固,与地连墙防渗帷幕形成封闭截水的风险控制措施与建议。     

地铁暗挖施工引起的地表沉降时空分布模型研究

以北京一地铁区间隧道暗挖施工引起的地表沉降分析为例,研究地表沉降分布规律及其时程分布规律。在大量实测数据的基础上,基于Peck公式进行地表沉降分布的回归分析,并通过修正,得到最大程度包络实测数据的高斯曲线,从而得到地表沉降的范围;基于Logistic函数模型,进行地表沉降随时间变化的回归分析,得到地表沉降时程分布规律和沉降速度时程分布规律。通过该方法得到的地表沉降时空预测曲线与隧道的土层性质、施工方法等密切相关。计算得到的沉降槽宽度系数、地层损失率、时间参数等可为预测沉降的时空分布提供参考数据。     

武汉长江隧道盾构施工引起的地表沉降预测

研究目的:盾构隧道施工会对周围土体产生扰动,进而影响到周围建筑物和地下管线.因此,准确预测武汉长江隧道工程盾构施工引起的地表沉降对保护周围建筑物和地下管线有着重要意义. 研究结论:研究结果表明,沿隧道轴线盾构开挖面后方40 m以外,土体的沉降可以达到稳定状态,地层损失率不超过2.0%时,由于土体塑性变形引起的地表沉降占总沉降量的比例较小.     

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。     

岩-土复合地层暗挖隧道施工引起地表沉降计算方法

考虑岩层与土层2种介质力学性质的差异性,基于随机介质理论,建立双层介质计算模型,推导岩-土复合地层暗挖隧道施工引起地表沉降分步计算公式;明确椭圆形隧道断面不均匀收敛区域积分的上下限;计算岩-土分界面的沉降曲线,将曲线与岩-土分界面所围成的区域视为"不等厚开挖",确定该区域积分的上下限,并给出岩、土层中主要影响角及断面收缩半径的计算方法。以贵阳地铁2号线诚-观区间暗挖隧道为工程背景,对比分析分层计算值、不分层计算值与现场实测值之间的吻合度。结果表明:将隧道上覆地层划分为岩层和土层2部分的计算值与实测值较为吻合,其最大沉降值相对误差在10%以内;地表沉降曲线沿隧道中心线对称分布,且中心线处沉降值最大。     

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。