基于时空关系的盾构开挖地表沉降规律

基于武汉地铁四号线某区间隧道盾构开挖引起的地表沉降数据分析,考虑地表沉降的时空关系,将地表沉降划分为无影响阶段、前期沉降阶段、通过阶段、盾尾空隙沉降阶段、工后沉降阶段,并给出了各个阶段的大致范围及其地表沉降占总沉降的比值。通过对Mindlin解引入时间参数,针对不同阶段地表沉降影响因素进行分析,在前影响距离范围内,盾构机与土体的摩擦力和地层损失对地表沉降的影响占优,在后影响距离范围内,地层损失对地表沉降起到了绝对的控制作用,前期沉降阶段的土层隆起与正面附加推力、摩擦力有关,而正面附加推力、摩擦力和注浆压力导致了工后沉降阶段的土体回弹,由此获得了实时地表沉降预测的理论公式。研究结果表明：理论预测值与实测值能较好的吻合,该公式能够较为准确地实时预测地表沉降。     

一侧有建筑物时盾构引起地表沉降的数值分析

本文利用有限元程序 Midas/GTS,综合考虑土体非线性、土体与盾构作用、注浆压力、千斤顶推力、密封舱土压力等要素,建立了隧道-土-桩基-建筑物三维非线性有限元模型,研究地表一侧存在建筑物时及盾构施工参数对地表沉降的影响。通过三维仿真数值模拟得出以下结论：地表存在建筑物时,地表沉降最大值比无建筑物时要小,且最大沉降值背离建筑物方向,偏离盾构中心轴线;盾构支护压力越接近侧向静止水土压力地表沉降越小,合理的控制盾构施工参数（注浆压力、盾构机千斤顶推力）可以有效减小地表沉降。     

盾构隧道施工注浆参数合理取值的简化算法

在盾构隧道施工中,临近隧道部分土体因应力扰动产生变形,土体变形大小与注浆参数密切相关。为分析盾构施工对临近土层强度破坏和变形的影响,根据土体的强度破坏准则,研究了注浆压力的合理取值范围,并从施工安全的角度提出了最优注浆压力的确定方法;然后,采用镜像法分析了注浆量和地表沉降的关系,并通过和工程现场实测数据的对比分析,得出地表位移和注浆量基本呈线性关系这一结论。在此基础上,提出了以控制沉降为目标来确定最佳注浆量的一种简化计算方法。     

顶管施工对地铁轨道变形影响的数值分析

在市政管道下穿地铁地面线路时,顶管施工会对土体产生不可避免的扰动,导致轨道发生变形,从而影响地铁的安全运营.因此,顶管下穿地铁线路受到了土木工程师的关注.依托某污水管线下穿地铁13号线地面线工程,着重讨论了顶管正面推力、地层损失、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力对轨道变形的影响.并使用MIDAS/GTS数值模拟软件对上述主要因素进行模拟.研究表明,顶管施工推进到距离轨道上行左线约3D(D为顶管管壁直径)到下行右线约2D范围内为施工关键期,轨道变形随着正面推力和地层损失的增大而增大,摩擦力对短距离顶管影响较小.最后,比较了同一地层未注浆与注浆加固后,顶管施工对既有轨道线路变形的影响.结果表明注浆加固可以有效控制土体的沉降变形.     

软土双线盾构施工地表变形实测分析与预测

依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,对软土区双线盾构施工引起的地表变形进行现场实测,分析地表变形的规律及双线Peck公式在软土地区的适用性,研究土体损失率的取值. 分析结果表明：软土地区双线盾构掘进引起的沉降绝对值较大且二次扰动效应明显强于其他土质;单环排土量与盾尾注浆压力的比值与地表最终沉降之间呈现较好的正相关性;土体损失率与单环排土量之间满足玻尔兹曼分布规律,即在盾构正常施工的情况下,土体损失率分布在一个有限区间内,随着单环排土量的增加而增大.     

盾构法施工中地表沉降的影响因素分析

盾构法施工技术以其特有的智能、快速、安全、地层适用性强等特点而得到广泛应用,但此法施工不可避免地会对地层产生扰动,引起周边地表沉降。如何在特定的地质环境中减少盾构施工对周边土体的扰动,一直是工程界所关注的重点。以石家庄轨道交通1号线时光街站—长城桥站盾构区间为研究对象,通过盾构区间地表沉降数据,分析出横向沉降规律及纵向沉降规律。在此基础上对影响地表沉降的因素进行分析,得出盾构掘进中注浆量及注浆时间、出土量是影响地表沉降的重要因素,进而优化掘进参数,有效地控制了地表沉降,为后续盾构施工提供参考和借鉴。     

软土双线盾构施工地表变形实测分析与预测

依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,对软土区双线盾构施工引起的地表变形进行现场实测,分析地表变形的规律及双线Peck公式在软土地区的适用性,研究土体损失率的取值.分析结果表明:软土地区双线盾构掘进引起的沉降绝对值较大且二次扰动效应明显强于其他土质;单环排土量与盾尾注浆压力的比值与地表最终沉降之间呈现较好的正相关性;土体损失率与单环排土量之间满足玻尔兹曼分布规律,即在盾构正常施工的情况下,土体损失率分布在一个有限区间内,随着单环排土量的增加而增大.     

软土双线盾构施工地表变形实测分析与预测

依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,对软土区双线盾构施工引起的地表变形进行现场实测,分析地表变形的规律及双线Peck公式在软土地区的适用性,研究土体损失率的取值.分析结果表明:软土地区双线盾构掘进引起的沉降绝对值较大且二次扰动效应明显强于其他土质;单环排土量与盾尾注浆压力的比值与地表最终沉降之间呈现较好的正相关性;土体损失率与单环排土量之间满足玻尔兹曼分布规律,即在盾构正常施工的情况下,土体损失率分布在一个有限区间内,随着单环排土量的增加而增大.     

土压平衡矩形顶管正面附加推力对地表隆起变形影响研究

以全国最长的大截面矩形顶管综合管廊工程为背景,基于弹性力学Mindlin解和随机介质理论,分析顶管施工对地表隆起变形的影响.研究发现:地表隆起过程可分为四个阶段,分别为缓慢隆起阶段、快速隆起阶段、沉降阶段和稳定阶段,并得到地表隆起超限主要集中在快速隆起阶段,该阶段地表快速隆起变形的主要诱因是正面附加推力,其次为顶管机摩擦力和后续管节摩擦力;刀盘挤土压力对正面附加推力影响很大,基于弹性力学Kelvin解,并引入刀盘转速比,得到大、小刀盘转速比在0～0.2范围内时对刀盘挤土压力影响很大;基于进出土平衡理论,并引入螺旋机转速比,得到它对刀盘开口处土压力影响很小,但顶进速度对刀盘开口处土压力影响很大;综合各因素得知,在矩形顶管施工参数中,刀盘转速比和顶进速度对正面附加推力影响很大,是造成地表隆起变形的主要原因.     

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

砂卵石地层盾构施工引起的纵向地表变形预测

为了更好地预测盾构施工对砂卵石地层的影响,对Sagaseta法进行了修正.假定土体不排水,利用Mindlin解推导了盾构同步注浆施工过程引起的砂卵石地层三维变形计算式,并结合盾构机外壳与周围土体间的摩擦力以及地层损失引起的纵向地表沉降计算公式,得到了砂卵石地层盾构施工引起的纵向地表沉降计算公式,并将本文理论计算值与现场监测数据、Sagaseta公式理论值、数值模拟值进行了比较.结果表明:本文理论计算结果与现场监测数据较为吻合;理论法较Sagaseta法更适合于砂卵石地层;盾构施工引起的砂卵石地层纵向地表沉降呈S形.     

基于弹塑性分析的浅埋盾构隧道地表沉降控制

目的为更准确地预测浅埋盾构隧道引起的地表沉降,探求相应的沉降控制措施．方法基于均质半无限空间假定,将浅埋单孔盾构隧道二向非等压初始地应力场分解为均匀应力场和单向应力场。利用弹塑性力学的Lame公式和Kiersch公式及摩尔一库仑屈服准则,定义了弹塑性解的位移边界条件．将控制地表沉降两大措施成功地应用于北京地铁十号线浅埋盾构隧道地表沉降预测及控制．结果得出适合浅埋隧道地表沉降预测的弹塑性计算式,对弹塑性计算式的分析显示,隧道围岩的弹性模量E和黏聚力c越大,地表沉降越小;泊松比纵内摩擦角φ和膨胀角沙越大,地表沉降也越大．提出通过减少围岩扰动和提高围岩性质两种控制盾构隧道地表沉降的方法．结论研究成果能较好地应用于浅埋盾构隧道的地表沉降预测及控制．     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1）开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2）当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3）开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

超近距双线隧道旁穿建筑群的信息化施工风险控制

为减轻双线盾构隧道旁穿引起的建筑物沉降,采用FLAC^3D对不同施工方案的双线隧道旁穿建筑物引起的地层沉降进行数值模拟,对实施的右线隧道变线+左线钢环内支撑+双线花管注浆加固方案的施工参数进行优化,并进行相关的工程实测分析。 结果表明:原方案造成的建筑物差异沉降为26.5 mm,远超其10 mm的控制标准;采用排桩加固或右线变线后左线钢环内支撑和双线花管注浆加固方案均能使建筑物差异沉降满足要求;优化右线盾构参数可减轻对建筑物影响;施工荷载和注浆压力是后行右线影响先行左线受力状态的主要因素,采用实时监测的信息化施工是必要的。超近距离双线盾构顺利旁穿建筑物群,相关结果可为类似工程提供借鉴。     

软黏土中盾构掘进地层变形与掘进参数关系

宁波地铁某区间单线隧道穿越地层主要为淤泥质黏土层,上覆地层主要为砂质粉土和淤泥质土.针对2类典型的上覆地层中土压平衡盾构施工,获取了相应的地表沉降监测数据,研究地表沉降与盾构施工过程的相互关系.采用经典高斯经验公式对盾构掘进引起的地表横向沉降曲线和纵向沉降发展曲线进行拟合,得到各监测断面沉降槽宽度ix及沉降槽宽度系数K.采用平移累积高斯沉降曲线对纵向沉降发展曲线进行拟合,获得盾构掘进引起的沿线地层损失率.研究盾构掘进参数取值对地层损失率的影响.结果表明,盾构推力、开挖面支护压力以及盾尾注浆率对地层损失率的影响显著.给出类似地层中各项盾构掘进参数的参考范围.     

曲线盾构隧道掘进地表沉降计算模型研究

盾构隧道掘进过程中产生的地层损失和施工荷载是引起地表沉降的主要因素,曲线盾构隧道的非对称性使得掘进引起地表沉降规律更加复杂。基于直线盾构隧道掘进引起地表沉降的研究成果,考虑实际工程中隧道会由于自重而沉降到土体边界底部和曲线盾构隧道地层损失的非对称特征,建立了曲线盾构隧道掘进引起地表沉降的地层损失模型,同时将建立的模型与已有曲线隧道地层损失模型进行对比研究。结果表明:本文建立的地层损失模型引起的地表沉降变形值更大,受转弯半径的大小影响,当隧道转弯半径大于1000米后,曲线隧道与直线隧道地层损失引起地表沉降值变化较小,而当隧道转弯半径小于300米时,此时地表沉降值对隧道转弯半径的敏感性较高,文章建立的计算模型可以很好的体现出小转弯半径隧道引起的地表沉降值的影响程度更大;通过将两种不同地层损失模型引起的地表变形与实际工程进行比较分析,验证了文章建立的计算模型与实际数据更接近,误差更小,显示该模型能够较好地反映实际情况,研究成果为曲线盾构隧道掘进引起地表沉降分析和预测提供参考。     

泥水盾构隧道施工引起的地面沉降分析及预测

通过对杭州庆春路过江隧道泥水盾构施工地面沉降监测数据的分析,总结了地面沉降的特点及影响因素,并结合实测数据给出了地面沉降的修正双曲线预测公式。分析表明：Peck公式适用于杭州软土地层中泥水盾构施工引起的地面沉降预测,其中地面沉降槽宽度参数K取值0.25～0.32,地层损失率V1取值0.04%～0.33%。地面沉降主要为盾构脱离0～5d或6d内的盾尾沉降以及扰动土体长期固结沉降,分别约占总沉降量的57.27%和41.08%。适当提高切口泥水及同步注浆压力使地面微隆,可以抵消部分地层损失,减少地面沉降。由地层损失引起的横断面地面沉降曲线较规则,基本呈现高斯曲线分布;而地面隆起变形较无规则,会使沉降曲线偏离高斯曲线分布。引入新参数C后的修正双曲线模型可用于泥水盾构软土地层中施工引起的地面沉降的预测。     

盾构掘进引起的土体附加应力场分析

利用弹性力学Mindlin公式,推导出盾构掘进面压力引起的周围土体附加应力计算公式.考虑剪切力的影响,运用圆孔扩张 剪切理论,计算了盾构刀盘切削土体在开挖平面内引起的二维应力计算公式.应用镜像法原理,推导了土体损失产生的三维附加应力计算公式.根据某盾构隧道实例,分析了上述3种作用力在土体中产生的附加应力分布规律.分析结果表明,掘进面压力引起的土体附加应力较大;刀盘切削土体引起的附加应力衰减较快,影响范围较小;土体损失引起的附加应力较大,且影响范围较广.