武汉地铁盾构始发数值计算与监测分析

研究目的:盾构法是城市地铁施工的主要方法之一。由于盾构始发阶段存在显著不同于盾构标准段的特征,如端部加固区域等,因此,有必要进一步来分析盾构始发阶段数值计算与监测数据的特征,从而获取与始发特征符合的特定规律。研究结论:基于武汉地铁二号线江积区间的地质特征,建立了有限差分模型。对盾构始发阶段的施工过程,分6步进行了模拟。对右线开挖30 m后的竖向位移,取不同截面进行了分析。同时,分析了始发过程中数值模拟结果与现场监测数据的差异,并从差异中分析得到了二者共同的规律,如部分沉降曲线类似,可以为盾构始发的数值计算、工程分析与预测提供参考。     

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。     

盾构穿越始发段土体加固区时土体沉降扰动分析

在整个盾构的掘进施工过程中,其始发段施工是事故频发的危险区段。为此,以武汉市地铁江汉路到积玉桥越江段施工为背景,选用FLAC3D软件对盾构穿过始发段全过程的土体扰动规律进行分析。数值仿真分析结果表明:在始发阶段盾构经过土体加固区时,土体横断面沉降槽呈现正态分布规律;将土体加固后,加固区的地表沉降很小,表明加固区土体受到的盾构施工扰动效应较非加固区明显减小;盾构中部通过加固区和非加固区分界面时地表沉降增加速率最大,盾构机前部和尾部通过时地表沉降增加的速率较小;盾构掘进过程中非加固区土层的沉降槽均呈现正态分布,盾构掘进主要影响盾构开挖洞口横向两侧18~22 m范围内土体,以及纵向15~20 m范围内的土体。     

大直径泥水平衡盾构浅覆土始发地表沉降特性

研究目的:在盾构始发阶段,由于覆土浅、地层自稳能力差,地层扰动引起的危害已成为不可忽视的问题。基于此,本文以京张高铁清华园隧道工程为背景,依据始发段实际加固方案及现场监测得到的始发段掘进参数,采用有限差分法建立三维泥水平衡盾构隧道数值模型,通过分析始发施工过程中隧道周边地表土体位移,并与现场实测进行对比,研究大直径盾构浅覆土始发段地层位移变化特征。研究结论:(1)数值计算与现场监测结果得到的土体位移规律基本一致,验证了本文盾构法施工数值模拟计算方法的工程实用价值;(2)由于始发竖井端头进行了高压旋喷桩加固,相应的地表沉降明显得到控制改善,印证了加固方案的有效性;(3)得到了大直径泥水盾构浅覆土始发土体变形规律:隧道轴线上方土体的沉降位移最大,为20 mm,两侧逐渐减小,两端呈现轻微上拱趋势,隧道周围土体有向洞室挤人运动的趋势;(4)该研究成果可为类似大直径盾构浅覆土始发工程提供参考。     

双圆盾构隧道施工力学行为三维数值模拟

结合上海轨道交通M6线双圆盾构区间隧道工程,应用有限差分程序FLAC3D分析双圆盾构隧道施工力学行为,对双圆盾构施工扰动引起的土体位移场特性进行监测与数值模拟对比分析.分析表明,数值模拟结果与监测值基本吻合.双圆盾构施工扰动土体位移场特性与单圆盾构类似,但影响范围、量值更大.对于深层土体,计算所得的最大沉降、隆起值分别为-0.042 m、0.08 m,对于浅覆土地层,隧道开挖后,易出现整体上浮现象,隆起值达0.03 m.双圆盾构施工扰动所引起的深层沉降、侧向位移还需要进一步研究.所得结论为进一步研究异形盾构施工环境土工影响提供参考.     

盾构施工对土体应力扰动过程的三维数值分析

基于比奥固结理论,应用ABAQUS软件,建立了包括盾构管片、注浆层、注浆压力、开挖面推力等参数的盾构施工三维有限元计算模型,并对模型进行了验证.采用分步开挖的方法模拟盾构施工对周围土体的应力扰动过程,计算并分析了主应力大小、方向以及孔隙水压力等参数,分析结果表明:盾构施工对周围不同区域土体有加载或卸载作用,从而产生正的或负的超孔压;在土层渗透系数较小时,盾构施工之后土体中仍存在较大的超孔压,造成土体长期固结变形,使管片荷载随时间增大;采用三维流固耦合有限元计算方法可合理模拟含水地层的盾构施工过程.     

浅埋微距双线土压平衡盾构水下始发分析

为了研究双线土压平衡盾构水下始发时的施工扰动行为,以广佛环线城际铁路沙堤隧道工程为背景,采用流固耦合分析方法,系统分析有无渗流作用下土压平衡盾构于河道中进行始发的施工响应和地层加固问题,并基于开挖面稳定系数的概念和方法对盾构始发过程中开挖面的稳定性进行分析与评价。研究结果表明,地下水渗流作用会大大增加开挖面失稳风险,引起地表发生较大沉降;始发加固作用可以有效减小地表沉降值,且可以减弱盾构掘进对加固区域外地层的超前扰动;基于开挖面稳定性系数的开挖面稳定性等级分析方法得到的开挖面稳定性分析结果与数值模拟结果基本一致,可以用于盾构隧道开挖面稳定性的分析和评估。     

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。     

盾构法施工对既有桥基础变位的影响分析

研究目的:盾构法施工对周围土体及既有建筑物的影响极为复杂,分析盾构施工过程中对周围既有桥梁基础的影响具有重要的工程价值和研究意义。本文以某隧道开挖的工程实例为背景,采用ABAQUS通用有限元软件,建立了结构的三维有限元模型,考虑了土体及其与结构间的非线性特性,模拟了盾构法隧道开挖的完整施工过程,最终得到了盾构施工过程中既有桥梁的承台和桩基础的变位规律。研究结论:分析表明,在开挖过程中,在开挖掌子面压力的作用下,前方土体隆起,最大隆起量为4.287 mm;由于开挖引起的土体损失、土体应力释放以及盾尾空隙的共同作用,导致盾构正上方及盾构后方的土体发生沉降,最大沉降量为6.651 mm。盾构施工过程中,承台将发生较大的竖向、横向和纵向变位,不可忽略。进行既有桥梁上部结构分析时应考虑承台的基础变位影响。     

小半径曲线上大直径盾构精准始发技术

针对扬州瘦西湖隧道施工中大直径盾构在小半径曲线段始发时盾构姿态控制难题,应用Excel与南方CASS软件对掘进线路进行了模拟分析,发现大直径盾构在小半径曲线段始发时,模拟线路轴线与设计轴线的切线方位角和水平距离应同时接近理论最小值。采用最小二乘法计算洞门圈上的测量数据,求得洞门圈中心坐标,结合模拟结果优化盾构始发姿态。通过采取严格控制盾构掘进参数、加强安全监测等措施,使盾构始发掘进曲线逐步过渡到设计曲线。盾构始发实际误差为16.4 mm,实现了大直径盾构在小半径曲线上的安全精准始发。     

上海软土地层盾构始发施工技术

研究目的:在城市隧道施工过程中,始发往往成为盾构施工成败的关键环节之一。本文通过对土体加固方法、导轨设置、反力系统的安装、验算等进行分析研究,选择合理的始发掘进参数,保证施工质量。研究结论:(1)始发洞口地基采用1000三重管高压旋喷桩进行加固,并按0.5%~1%比例钻芯取样,经试验测得28 d无侧限抗压强度大于0.8 MPa,确保了土体的稳定性;(2)在始发洞内安设洞口始发导轨保证了盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生盾构"叩头"现象;(3)土仓压力略高于前方土体压力,防止了盾构脱离始发基座后的"叩头"现象及并且有效地避免了地表产生过大沉降;(4)通过对始发反力架进行力学验算,确保了盾构始发过程的安全性。     

地铁盾构始发穿越高风险管线群的综合施工技术

地铁盾构始发段施工难度较大，穿越高风险管线群的难度更大。以深圳地铁16号线大运中心站—龙城公园站区间盾构始发下穿高风险管线群工程为例，从多维度精细化控制角度出发，从始发端头土层加固、地层动态跟踪注浆、管线保护技术、盾构掘进参数优化和现场监测等5个方面对地铁盾构始发穿越高风险管线群综合加固技术和掘进参数控制进行研究，通过数值模拟及现场监测管线群变形分析了所提控制技术的适用性效果。研究结果表明，盾构施工采用本技术可以安全穿越始发段高风险管线群且沉降在允许范围内。     

不同工况下盾构始发掘进的数值分析

结合南京地铁十号线过江隧道东端头盾构始发工程,介绍了该工程实际采用的加固方式及工艺,并对不同工况下盾构始发掘进进行了数值模拟分析,为始发施工安全提供参考依据.数值模拟结果表明:当封门凿除后,土体向工作井内移动,盾构推进方向最大位移发生在暴露掌子面的中心处,达到16.00 mm,强加固区土体的变形不是板块受压变形;凿除封门以及盾构完全推进加固区工况下对地面几乎无影响,盾构即将离开加固区时地面位移有所增大;除了与管片的接触部分,加固区土体受力均在设计值范围之内,并且有较多富裕;盾构机在脱离加固区时不会产生明显的“磕头”现象.     

盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究

盾构始发是盾构隧道施工中的关键风险点,确定始发端头土体加固的范围及加固工艺是盾构隧道施工必须解决的关键问题。通过盾构隧道端头常用土体加固方式与相关计算理论及模型的讨论,结合苏州地铁苏州乐园站南端头盾构始发工程理论计算与验算,研究了软土地区常用加固方式的加固时机与加固技术参数。研究结果表明,苏州轨道交通一号线软土加粉土和粉砂地层采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式安全可行;抗滑移验算对安全系数起主导因素的是加固土体的黏聚力C;土体扰动极限平衡理论计算得出的横向加固尺寸小于工艺构造要求,只要能够满足工艺构造要求,土体在抵抗扰动上就有足够的安全系数;并提出了苏州地铁始发端头具体加固范围和加固时机。     

地铁隧道小半径曲线段盾构割线始发预偏量控制方法

城市地铁隧道小半径曲线段盾构始发姿态控制是施工质量控制中的技术难题。本文依托工程实例,建立了小半径曲线段割线始发盾构姿态数值模型,研究盾构始发姿态各影响因素及其关联性,进而提出沿割线方向预设偏转角或盾尾预偏移量的小半径曲线段盾构姿态控制方法。在北京地铁19号线区间隧道的应用表明,该方法能有效控制小半径曲线段盾构始发参数和超限风险,且给出的盾构始发各控制参数的关系表方便工程技术人员选用。     

盾构施工中大角度割线始发技术

盾构始发是盾构施工中的重点与难点,特别是对于大角度曲线而言,这一问题则更加突出。结合兰州市轨道交通1号线文西区段的施工,对盾构施工中大角度割线始发技术进行研究,内容包括盾构始发关键技术控制、盾构始发姿态控制、盾构始发参数设置以及大角度割线始发时的注意事项等。其中盾构始发关键技术控制包括始发割线确定、始发托架安装、反力架安装、负环管片安装以及洞门凿除等内容;盾构始发姿态控制包括始发引导轨设置、负环段盾构机参数设置以及正环开始后盾构机姿态控制;盾构始发参数设置内容包括土压设置、注浆参数设置以及掘进参数设置;大角度割线始发时的注意事项则包括始发架、反力架的定位及加固、始发洞门的防水以及掘进控制等。研究内容对相同类型的隧道施工具有一定的指导作用。     

沿海地区填石层地段盾构始发端头土体加固施工技术

结合深圳地铁二号线工程实例，论述了深孔注浆技术在盾构始发端头土体加固施工中的应用。实践表明，采用深孔注浆技术在对盾构端头土体加固也可以保证盾构的顺利始发，以便为今后类似工程借鉴。     

盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析

以北京地铁10号线9标段盾构法开挖隧道穿越城铁13号线芍药居车站工程为依托,采用三维有限差分软件FLAC~(3D)对盾构施工过程进行数值模拟,分析盾构穿越既有结构时对其沉降的影响规律.研究结果表明:既有线车站结构的沉降随地基变形模量的提高而减少,且沉降趋势逐渐变缓;既有结构最大沉降增大的速率比围岩荷载释放率增大的速度快;增大开挖面的控制压力,可有效减小既有结构的沉降,但过大的控制压力会使前方土体隆起,产生负地层损失,并且随着开挖面控制压力的提高,差异沉降明显增大.通过施工参数的优化可以减小既有结构的沉降,达到保护既有结构的目的.     

曲线盾构隧道开挖面极限支护力研究

研究目的:曲线盾构隧道掘进施工存在巨大安全隐患,受盾构刀盘超挖、盾壳挤压内壁土体和千斤顶不对称推力等因素的影响,致使开挖面前方变形复杂,开挖面稳定性难以控制。基于筒仓理论,本文提出曲面梯度楔形棱柱体开挖面极限平衡模型,推导曲线盾构隧道开挖面极限支护力理论计算公式;进而以济南地铁R1线王府庄至大杨庄区间段曲线盾构隧道为工程背景,探究不同曲率半径下开挖面的变形分布特征,以期为曲线盾构隧道掘进开挖面稳定性提供科学的理论指导。研究结论:(1)曲线盾构隧道开挖面破坏呈现不对称分布,受开挖面偏心支护压力的影响,开挖面前方土体形成曲面梯度楔形棱柱体平衡模型;(2)随着曲率半径的减小,开挖面位移和极限支护压力先增大后减小,且支护压力非常规的按中心支护力进行计算,而是偏向于曲线外侧,其值大于直线盾构隧道;(3)极限支护压力随开挖面土体黏聚力、内摩擦角增大而增大,随两侧破裂角的差值增大先呈现增大趋势,当β132.3°后减小,最后趋于平缓;(4)本研究成果可为曲线盾构隧道施工开挖面稳定性及其支护提供理论指导和科学依据。     

大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响分析

以厦门地铁1号线集美中心站站后停车线隧道工程为背景,采用FLAC3D三维有限差分软件,对此大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响进行了三维数值分析。分析了CRD(交叉中隔墙)四步开挖法、CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)及CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分先开挖)对盾构隧道的影响,揭示了盾构隧道位移和管片弯矩的变化规律:大断面矿山法隧道开挖时对先施工的小净距盾构隧道产生4~9 mm的位移值,盾构管片产生80~170 kN·m的弯矩值。另外,CRD四步开挖对盾构隧道不利,盾构隧道的位移和弯矩分别增大约33%和6%,并且靠近盾构隧道的部分对盾构扰动更大,因此,推荐使用CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)。最后对比分析了盾构隧道的现场监测位移值和数值模拟结果。