类矩形盾构施工引起地下管线的附加荷载研究

对类矩形盾构施工引起的垂直交叉地下管线的附加荷载规律进行研究。考虑附加注浆压力和土体损失的作用,对类矩形盾构隧道施工引起的土体附加应力公式进行了修正;通过算例研究了地下管线附加荷载的分布规律,分析了管线埋深的影响。算例分析结果表明:类矩形盾构施工过程中,在x、y方向上产生的地下管线附加荷载中,盾壳摩擦力和附加注浆压力影响较大,正面附加推力的影响较小;在z方向上附加荷载主要由土体损失决定;附加荷载最大值出现在隧道轴线及其附近位置;管线埋深对x、y方向上的附加荷载影响较大,对z方向上的附加荷载影响较小。     

类矩形盾构施工对地下管线影响的模型试验研究

类矩形盾构隧道开挖使土体以不均匀沉降形式作用于地下管线,导致管线产生纵向变形、破坏。针对类矩形盾构隧道施工,采用室内缩尺寸模型试验,综合考虑管隧相对位置、管线埋深及土体损失率3个影响因素,研究类矩形盾构隧道在砂土地层中施工,地下管线沉降、变形及地表沉降的规律变化。研究结果表明:管隧垂直工况时,管线竖向位移曲线呈高斯分布,竖线位移反弯点出现在隧道轴线附近处,管线弯矩呈"M"型分布,最大竖向位移及弯矩位于隧道轴线正上方;管隧斜交工况所受影响比管隧垂直工况影响更大;管线埋深越大,管线受影响程度越深;管线竖向位移随土体损失率减小相应降低,隧道轴线正上方管线竖向位移与管线最大正弯矩及两个较大负弯矩减小幅度较大,管线两端受影响程度较小;地表沉降受土体损失影响较大,沉降值比管线大。     

邻近管线的类矩形盾构隧道施工室内模型试验研究

关于盾构隧道施工引起管线变形和土层沉降的影响,相对于传统圆形盾构,类矩形盾构施工的研究较为少见,具有一定的新颖性。针对类矩形盾构隧道施工对邻近地下管线及土体沉降的影响,采用室内缩尺寸模型试验,考虑正常管线,非连续管线,非连续破损管线以及4种不同深度处的土体沉降的因素,分析砂土地层中,在管隧垂直工况下,类矩形盾构隧道开挖对地下管线变形及土体沉降的影响。试验结果表明:几种形式的地下管线沉降变形规律一致,均关于隧道轴线对称,呈"V"型分布;非连续管线最大沉降小于连续管线,管线两端在隧道宽度范围外的沉降大于连续管线;非连续管线弯矩变化趋势比连续管线缓和,最大正负弯矩值均小于连续管线;非连续破损管线在管线两侧负向弯矩变化较大;深层土体沉降符合高斯分布,土体最大沉降随土层埋深增加呈正比关系增大。     

盾构施工对地下管线影响数值模拟研究

城市地铁隧道盾构施工过程中,由于地层损失引起周围土体变形,从而造成既有近接管线中产生附加应力。过大的附加应力会导致管线破坏,对城市运行造成较大影响。本文采用ABAQUS有限元计算平台,针对隧道与既有近接管线垂直工况,对盾构施工过程中隧道周围土体变形以及近接既有管线的变形和受力特性进行了分析。结果表明隧道正上方的土体随着埋深的增大沉降逐渐增大且各个沉降槽曲线均呈高斯分布;管线变形曲线与土体开挖面所在平面的沉降槽曲线相似,也服从高斯分布;并且隧道周围既有管线对周围土体沉降具有抑制作用。     

盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究

收集了杭州市庆春路过江盾构隧道施工引起的地面沉降实测数据,提出了施工阶段地面沉降值的取值办法。结合北京、上海、南京、广州、武汉、天津、深圳地区盾构法隧道施工引起的土体损失率实测值,对71个实测数据进行了统计分析。结果表明:土体损失率分布在0.20%～3.01%,其中95.77%的实测数据分布在0.20%～2.0%,43.66%的实测数据集中在0.5%～1.0%;黏性土地区土体损失率在0.20%～2.0%。土体损失率主要与施工水平、土质条件和隧道轴线埋深有关。随着隧道轴线埋深增大,土体损失率基本呈减小趋势,当埋深大于25 m后该趋势比较明显,两者关系可近似采用幂函数拟合。     

基于能量法的双圆盾构施工引起管线沉降计算

引入隧道与开挖面的相对位置系数α,研究双圆盾构施工在不同工况下引起的深层土体沉降计算公式,以土体沉降计算公式为基础建立能量变分方程,得到双圆盾构施工引起地下管线沉降的计算方法。通过算例对比分析4种典型工况下管线沉降的分布规律,验证公式推导结果正确性,并进一步分析了管线埋深和土体损失率等因素对管线最大沉降的影响规律。研究结果表明:本文方法计算3种正常工况下的管线沉降曲线满足正态分布,旋转工况下管线沉降分布不均匀,最大沉降向下沉隧道侧偏移,另一侧的沉降量则相对较小;土体损失率对管线的沉降有较大影响,而管线埋深对管线沉降的影响则相对较小。     

类矩形盾构隧道施工对邻近桩基附加荷载的研究

类矩形盾构在施工过程中会产生附加应力,根据"源汇法"理论,推导附加应力公式,修正了在土体损失和附加注浆压力作用下的土体附加应力公式。通过算例研究了邻近桩基附加荷载的分布规律。算例分析结果表明,开挖面前方桩基在类矩形盾构的掘进过程中受到挤压力作用,在盾构推进过程中,附加拉压应力的极值出现在轴线埋深处;在类矩形盾构推进过程中,其产生的正面附加推力对土体产生的荷载关于隧道轴线对称;桩基所受的最大附加荷载与离开挖面距离成反比,且衰减幅度减小,曲率变缓。     

盾构隧道施工对柔性地下管线的影响预测及分析

基于修正三维Peck公式,以管线接头允许张开值为控制指标,建立了盾构施工上方柔性市政管线安全状态评估方法,并基于工程实例研究了地铁隧道埋深、平距等对市政管线的影响规律。当地铁隧道埋深确定后,随着两隧道间距的增大,上方市政管线(土体)的绝对沉降量单调减小,而上方管线计算接头张开值则呈勺形分布,当平距为17m时达到最大值。定义双线地铁隧道左右线水平间距系数C_Z,则当C_Z≤0.58时,上方市政管线沿轴线的沉降分布符合正态分布规律,沉降呈V形;当C_Z0.58时,沉降曲线不符合正态分布规律,沉降呈W形。     

类矩形盾构施工引起地下管线竖向位移计算方法研究

为研究类矩形盾构不同施工工况引起的土体沉降,基于随机介质理论推导得到不同工况下的深层土体沉降公式,建立能量变分法控制方程,得到4种典型工况下类矩形盾构隧道施工引起地下管线竖向位移的计算方法。通过算例对比分析4种工况下管线竖向位移的分布规律,验证了结果的正确性,并分析了管线埋深、土质条件和管线材质对管线竖向位移的影响。研究结果表明:该研究方法计算所得管线的竖向位移呈现正态分布;旋转工况下管线竖向位移关于隧道中轴线呈不对称分布,管线竖向位移在盾构下沉侧比上浮侧变化快;土质条件和管线材质对管线的竖向位移有较大影响,管线埋深对管线竖向位移的影响则相对较小。     

类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

盾构法隧道地表变形影响因素多尺度数值模拟

采用三维非线性有限元数值方法,对上海典型地层中盾构推进过程进行了精细模拟,研究了多几何尺度下盾构外径、隧道埋深及土层力学性质等非施工因素对地表变形的影响。计算结果表明,盾构机外径的尺度效应和隧道埋深对地表变形影响显著;不同尺度下修正剑桥模型中与土性有关的对数硬化模量λ及泊松比μ与地表变形正相关,而临界状态有效应力比M与变形之间的关系不是单调增加或减小的关系。研究成果为软土地区盾构隧道多几何尺度的模型试验和设计施工参数的选取提供了依据。     

盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究

假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解,推导正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式;提出土体损失引起的三维地面变形计算公式。将正面附加推力、摩擦力和土体损失引起的地面变形计算公式叠加,得到盾构施工引起的地面变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,该方法的计算结果与实测值相当吻合。盾构施工引起的纵向地面变形曲线呈“S”形;隧道开挖面上方处轴线两侧的地面产生隆起现象;在正常施工时,盾壳与土体之间的摩擦力对地面变形的影响远大于正面附加推力。     

盾构施工中注浆压力波动对邻近桩基影响的研究

盾构隧道施工中,沿着掘进方向土体参数存在空间变异性,需要不断调整注浆压力,以保证地应力稳定。这导致在施工过程中注浆压力会围绕设计压力值曲线波动。因此,在模拟盾构隧道掘进施工过程中应该考虑注浆压力参数的波动性对邻近受荷桩基的影响。针对这一问题,结合太原地铁2号线“学府街站—长风街站”盾构区间工程案例,考虑了注浆压力参数的不确定性,用数值模拟方法分析了地铁隧道盾构施工对邻近受荷桩基附加响应的影响。结果表明:考虑注浆压力波动性的盾构施工对邻近受荷桩基附加弯矩的影响较大,对附加轴力的影响相对较小;对附加弯矩的影响大的区域在地表以下0~30 m范围内(约2.5倍隧道埋深),对附加轴力影响较大的区域在隧道埋深附近。通过卡方检验发现,当300组注浆压力满足正态分布时,受其影响后的受荷桩基的附加轴力和附加弯矩也服从正态分布。     

考虑多因素的类矩形盾构施工引起土体竖向位移研究

基于Mindlin位移解和随机介质理论,考虑正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力、附加注浆压力和土体损失,研究类矩形盾构施工引起的土体竖向位移及各因素的影响。研究土体损失的过程中引入了开挖面收敛模式参数α和纵向损失率修正公式。研究结果表明:考虑多因素的土体竖向位移预测值与实测值较吻合,能反映出纵向地表沉降曲线在开挖面附近及后方地表出现隆起和沉降逐渐发展的过程;随着深度的增加土体沉降值增大;隧道轴线两侧的土体沉降增量要大于轴线正上方,沉降曲线呈W型。该方法也可以用于分析土仓压力不均的工况,此时开挖面前方的沉降曲线不再对称;正面附加压力减小,开挖面前方地表沉降值增加,反之,沉降值减小。     

地铁“先隧后站”车站基坑施工力学效应分析

为了解“先隧后站”法先期隧道施工产生的土体扰动对后期地铁车站基坑开挖的影响规律,以厦门地铁2号线高林站工程为依托,根据工程经验考虑4种地层损失率η,通过数值模拟先盾构隧道后明挖法扩建地铁车站基坑开挖过程,研究基坑开挖破除隧道前后基坑变形及围护墙内力变化规律。计算结果表明:地表沉降和墙体侧移及内力分布规律基本不变,但极值存在一定变化;对于地表沉降极值η为0.5%、1%和2%时的比无隧道时(η=0)分别增大15.8%、12.6%和10.7%;对于围护墙侧移,η从0.5%增至2%,极值增幅约4.1%;先期盾构隧道施工力学效应不利于后期基坑开挖。为克服这种不利效应,现场提出了一套基坑土方开挖及管片拆除的施工方案,实践表明采取的方案可靠,基坑安全稳定。     

盾构法施工引起邻近地下管线位移分析

采用三维有限元方法,考虑土体、地下管线、盾壳以及衬砌的相互作用,用ANSYS程序软件模拟盾构推进对邻近地下管线位移的影响,探讨盾构刀盘推进力、盾构开挖面到地下管线不同距离、注浆程度等因素对地下管线位移的影响。     

Model test and discrete element method simulation of shield tunneling face stability in transparent clay

The stability of the shield tunneling face is an extremely important factor affecting the safety of tunnel construction. In this study, a transparent clay with properties similar to those of Tianjin clay is prepared and a new transparent clay model test apparatus is developed to overcome the “black box” problem in the traditional model test. The stability of the shield tunneling face (failure mode, influence range, support force, and surface settlement) is investigated in transparent clay under active failure. A series of transparent clay model tests is performed to investigate the active failure mode, influence range, and support force of the shield tunneling face under different burial depth conditions, whereas particle flow code three-dimensional numerical simulations are conducted to verify the failure mode of the shield tunneling face and surface settlement along the transverse section under different burial depth conditions. The results show that the engineering characteristics of transparent clay are similar to those of soft clay in Binhai, Tianjin and satisfy visibility requirements. Two types of failure modes are obtained: the overall failure mode (cover/diameter: C/D≤1.0) and local failure mode (C/D≥2.0). The influence range of the transverse section is wider than that of the longitudinal section when C/D≥2.0. Additionally, the normalized thresholds of the relative displacement and support force ratio are 3%–6% and 0.2–0.4, respectively. Owing to the cushioning effect of the clay layer, the surface settlement is significantly reduced as the tunnel burial depth increases.     

管棚注浆支护隧道开挖引起地表变形特征分析

隧道开挖引起的地表变形是工程安全的重要指标,基于管棚注浆隧道开挖引起的地层受力分析,将地表变形影响因素分为注浆压力、附加荷载和地层损失,并引入Mindlin解和Peck公式,获得了隧道引起的地表变形计算公式。通过对地表变形特征进行分析,结果表明:岩土力学参数对地表变形最大值有显著影响,但对沉降影响宽度影响甚微;沉降槽宽度、地层损失率和沉降宽度与沉降槽宽度比值(I/i)均随内摩擦角和黏聚力增大而减小,弹性模量对沉降槽宽度几乎没有影响,随弹性模量增大,沉降槽宽度稳定在7.6~7.9,地层损失率迅速减小并在1.2‰左右趋于稳定,I/i则迅速增大并稳定在3.0左右。隧道参数对沉降最大值和沉降影响宽度均有显著影响,且影响幅度没有减缓的趋势;在单一地层中,随着埋深增加,沉降槽宽度、地层损失率均呈直线增大,I/i值先增大后减小;随洞径增大,沉降槽宽度呈线性增大,地层损失率呈线性减小,I/i值先增大后减小,最大值为3.1左右。     

干砂盾构开挖面稳定性模型试验研究

盾构技术在地下空间开发中得到广泛应用,保持开挖面稳定性是盾构施工的关键,但这方面的大尺寸模型试验研究一直很少。利用直径1 m的盾构模型,研究了干砂地层中不同埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下盾构开挖面稳定性问题。试验中分析了埋深比对开挖面极限支护力及地表沉降的影响,揭示了开挖面稳定性与极限支护力及地表沉降的关系,提出同时监测控制开挖面土舱压力及地表沉降的重要性,并给出关键控制键参数。对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。