盾构隧道开挖引起地层位移计算理论的对比与修正

隧道开挖引起的地层位移历来是学术界和工程界所关注的热点问题。首先,阐述了盾构隧道开挖引起地层位移的传统计算理论,对国外5条经典盾构隧道实例进行了计算和对比,分析结果表明:Peck经验公式、Yoshikoshi法和Celestino法拟合精度均较高;Loganathan和Poulos法计算得到的最大沉降值略小于实测值;Sagaseta法与Verruijt和Booker法的计算结果几乎相同,最大沉降量均明显偏低;Park浅埋法计算结果与实测值较为吻合。其次,基于多条盾构隧道的地表沉降实测数据,得到了地表沉降槽宽度系数is的修正拟合公式,该公式表明:is与隧道的开挖半径R、埋深h和土质条件(土体内摩擦角φ)有关,且与R+h tan(45°-φ/2)呈线性关系;此外,对多组盾构隧道深层土体沉降实测数据进行统计分析,获取了深层土体沉降槽宽度系数iz的修正拟合公式,该公式表明:iz与地表沉降槽宽度系数is之比iz/is,同该土层深度hz与隧道上覆土层厚度T之比hz/T之间呈对数函数关系。实例对比分析结果表明:地表和深层土体沉降槽宽度系数修正拟合公式均能较好地预测地层变形。     

盾构掘进地面沉降虚拟镜像算法

盾构掘进所致地面沉降的准确预估,对于邻近建（构）筑物的保护至关重要。假定土体为均质各向同性半无限空间不可压缩弹性体,基于虚拟镜像技术,推导了在隧道边界土层不同收敛模式下的地面沉降计算公式,计算结果比数值积分算法更接近实测。由于实际土体具有各向异性、成层性和可压缩性,本文算法与数值积分算法均高估了横向地面沉降槽宽度。引入沉降槽宽度修正参数对理论公式进行修正,修正算法计算结果更符合实际,可简单可靠地估算盾构隧道施工地层损失引起的地面沉降。     

顶管施工对市政道路工程的影响分析

总结了顶管施工引起穿越地层变形的规律,探讨了顶管施工引起地层变形的原因,其中最根本的原因即为地层损失,这也是目前计算顶管施工引起地面沉降的主要依据;其次,总结了地面沉降的几种计算方法,在分析其利弊后,认为修正后的Sagaseta公式能够比较准确地反映出土体损失带来的地面沉降;最后,依托工程实例,使用修正后的Sagaseta公式计算出S_x、S_y,并分析了x、y方向地面沉降的变化规律,以及探讨了顶管施工引起地面沉降的几种影响因素,得出了地面沉降值随影响因素的变化而变化的规律。     

考虑施工过程的盾构隧道沉降数值分析

 地铁隧道施工引起的地面沉降已成为我国城市地面沉降的主要根源之一,威胁着地铁沿线附近建筑物和地铁隧道上方地下管线的安全,因此,准确预测盾构隧道施工引起的沉降对维护地铁施工安全至关重要。基于K. M. Lee等提出的等效地层损失参数法,利用数值分析方法研究注浆压力和掌子面推力这2个重要参数对盾构隧道施工沉降的影响规律。并在此基础上将注浆压力对于隧道上覆土体的重力及掌子面推力对土体侧向静止土压力进行归一化处理,提出可以考虑施工因素对隧道沉降的计算方法。算例与数值计算结果的对比,证实提出的修正计算方法的有效性。     

功互换定理研究土质隧道开挖引起的地面沉降

介绍基于功互换定理计算土质隧道开挖引起地面沉降的弹塑性方法。首先构建浅埋圆形隧道两组具有独立受力状态的计算模型,并分别给出两组弹性和弹塑性状态下应力、应变和位移解析,然后利用由虚功原理推导的弹塑性Maxwell-Betti功互换定理建立该隧道开挖引起地层损失率VL的解析表达式,最后将其引入Peck公式即可得到相应地面沉降的表达式。将该方法与Sagaseta法等4种方法对某土质隧道理想化模型进行地面沉降预测的比较分析,及在4个隧道工程实例的应用发现:其与Sagaseta等其他方法一样可应用于预测隧道开挖引起的地面沉降;考虑围岩塑性变形的地面沉降结果比基于弹性分析的Sagaseta法和Verrijt-Booker法偏大;该方法计算结果更接近实际监测沉降值。分析表明:该方法能较好反映开挖围岩弹塑性变形对地面沉降的影响,并在工程应用上具有一定的合理性和可靠性,尤其适用于围岩土质较硬且分布均匀的浅埋隧道。     

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0～5 d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.     

考虑盾尾注浆隆起的盾构掘进地面位移预测

通过对3个盾构隧道工程实例中盾尾注浆引起的地面隆起的分析,对比了Mindlin解、Sagaseta法、Verruijt-Booker法、Loganathan-Poulos法、Chi法和Park法6种解析方法及高斯公式预测盾构掘进盾尾注浆引起的地面隆起的适用性,并结合工程实例给出了考虑注浆地面隆起后盾构掘进地面位移计算的修正Peck公式。分析表明：盾尾注浆引起的横断面地面隆起曲线,可以用高斯公式和Chi法较好地拟合,在确定注浆隆起宽度参数Kh和沉降影响角β的经验取值后,可预测盾构注浆隆起。考虑注浆隆起的修正Peck公式,可合理地预测包含注浆隆起在内的盾构掘进引起的横断面地面位移。     

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。     

基于有限元模拟的双线平行盾构隧道近距离界定

对Peck公式在双线水平平行盾构隧道引起的地面沉降计算中的适用范围进行讨论,提出相对水平距离系数C;考虑注浆因素、改变双线平行盾构隧道的水平间距,通过三维有限元模拟得到地面沉降值,然后与Peck公式计算结果相拟合,用于双线平行盾构近距离的界定。研究结果表明:Peck公式只适用于当双线水平平行盾构隧道间距小于一定范围时,其相对水平距离系数C与2条隧道轴线水平距离、隧道轴线埋深和隧道半径等因素相关;当C≤0.66时,Peck公式可较为准确地预测地面沉降,当C0.66时,地面沉降曲线不符合正态分布,此时Peck公式已不适用。     

硬岩地层TBM掘进引起地表变形的计算分析

以重庆轨道交通环线凤鸣山站—上桥站区间隧道工程为依托,以现场监测数据为基础,采用数据拟合的方式比较经典Peck公式、Sagaseta公式及Loganathan公式在砂岩与砂质泥岩地层的城市地铁TBM隧道地表施工沉降计算中的精准性。研究表明经典Peck公式拟合的砂岩与砂质泥岩地层TBM施工地表沉降更为精准,最后采用ANSYS数值模拟进一步验证了Peck公式用于砂岩与砂质泥岩地层TBM双线隧道地表施工沉降计算的可靠性。     

盾构施工对邻近桩基础影响的简化分析方法

根据Loganathan和Poulos提出的估算盾构施工产生的土层位移的简易方法,假定已知土层损失,可预测隧道周边土层的水平位移。邻近盾构的桩基础也要随土层位移产生内力、位移变化,而成为被动桩。参照弹性地基梁法,建立由土体水平位移导致的桩-土共同作用方程,通过杆系有限单元法实现求解盾构施工产生的桩身内力和位移,计算中可考虑不同的桩顶约束条件和土层分布条件。根据桩身内力、位移控制要求,可确定盾构隧道施工时的土层损失控制要求。     

复合地层盾构隧道围岩压力计算方法研究

当前复合地层中盾构隧道的建设大量涌现,而对于复合地层中盾构隧道围岩压力的计算尚存争议。鉴于此,通过分析经典修正惯用法在复合地层围岩压力计算中存在的问题,分别提出盾构隧道位于软硬土复合土层及软土硬岩复合岩土层的荷载计算模式,并基于极限状态理论范畴的滑移线理论推导复合土层下部主动土压力的计算公式。最后,针对实际工程中出现的以上2种典型复合地层,采用提出的计算方法与修正惯用法及实测结果进行对比。结果表明:修正惯用法的荷载模式过分夸大了隧底被动反力,造成计算得到的围岩压力与复合地层隧底的实际受荷状态不符,使隧道底部的变形计算结果出现向上的位移,且所得内力与实测结果相差较大;而采用提出计算方法得到的围岩压力与实测值更为吻合,隧道变形计算结果更合理,所得内力分布更符合实际,量值与实测值偏差较小,验证了所提计算方法的正确性及可靠性,可为复合地层盾构隧道的设计和研究提供参考。     

盾构法隧道施工引起的土体变形预测

 理论分析表明,不同土质条件下盾构法隧道施工引起的土体移动模型有区别。基于盾构法隧道统一土体移动模型,假定土体不排水,采用N. Loganathan等提出的研究方法,通过对Verriujt计算公式进行修正,推导得到盾构施工过程中由于土体损失引起的土体变形二维解,该方法适用于施工阶段。算例分析表明：所给出方法的计算结果与实测值较吻合,适用于从流塑～坚硬状态的所有黏性土。Loganathan公式只适用于流塑状态的黏性土,当土质较硬时,计算所得到的土体沉降要比实测值小;盾构施工引起的隧道上方土体沉降从地面向下呈非线性增大,在隧道顶部达到最大,离隧道越近,增长越快;隧道周围土体产生向隧道侧的水平位移,从地面向下逐渐增大,在略高于隧道轴线附近达到最大值,再逐渐减小直到0。离隧道越近,土体水平位移越大。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较.研究结果表明:盾构掘进过程会引起...     

软土地层盾构隧道施工引起的地面隆陷研究

 基于Mindlin解,经数值积分求得盾构掘进时切口附加推力、盾壳对周围土体的摩擦力及同步注浆附加压力引起的地面竖向位移,并以杭州庆春路过江隧道盾构施工引起的地面实测位移对其进行验证。分析结果表明,基于Mindlin解求得的切口附加推力、盾壳摩擦力及同步注浆附加压力引起的地面位移,与地层损失沉降叠加,可用来预测盾构掘进引起的纵向地面隆陷;盾尾同步注浆所致横断面地面隆起符合高斯分布,考虑注浆所致地面隆起后的修正Peck公式,可预测盾构掘进所致地面隆起,并提高地面沉降参数反分析的精度。     

基于地层损失的盾构沉降计算方法研究进展

近年来,越来越多的盾构隧道要穿越建筑密集区、重点建筑保护区和沉降敏感区,地面沉降的科学预测和合理控制成为亟待解决的问题。盾构法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表移动。基于现有地层损失概念,按照经验-数学法和物理力学法体系论述了国内外盾构推进诱发地面沉降的研究进展,分析了现有研究方法的不足之处,对地层损失概念进行了重新界定,建立了基于沉降预测-施工控制的地层损失概念模型,提出了基于"地面沉降-地层损失-施工参数"联系通道的地面沉降控制流程。     

考虑盾构隧道埋深影响和岩土特性影响的地表变形计算

盾构施工引起地层变形的众多计算方法中,随机介质理论法和Peck法是我国应用较为广泛的两种实用方法,但这两种方法的计算参数均不太容易确定。根据46例工程实测资料,绘制出地表最大沉降与隧道相对埋深的关系图。结果表明:当盾构隧道相对埋深小于5时,盾构施工引起的地表最大沉降值变化较大;当盾构隧道相对埋深大于5时,其对地表最大沉降的影响较小。对于大部分浅埋城市地铁隧道而言,应该考虑盾构隧道相对埋深对地层变形的影响。基于盾构施工引起地层移动不均匀模型的地表最大沉降计算式,依据随机介质理论法和Peck法,推导出考虑土质软硬、隧道半径和埋深影响的地层变形实用计算方法,并通过对5个工程实例的分析,验证此计算方法的合理性。     

软土地区盾构隧道弯曲刚度有效率取值研究

修正惯用法以其概念明确、理论成熟和计算便捷的特点在盾构隧道设计中被广泛应用。弯曲刚度有效率η是修正惯用法中的重要参数,其取值对于隧道结构的计算结果具有至关重要的影响。研究基于荷载结构法,利用有限元计算软件ABAQUS建立了匀质圆环模型和梁-弹簧模型,研究了盾构隧道在软土地区通错缝拼装、基床系数和接头相对刚度对弯曲刚度有效率η的影响。通过对数值模拟计算结果进行整理,得到了弯曲刚度有效率η的拟合公式和通错缝拼装弯曲刚度有效率η的转化公式,为确定修正惯用法中的弯曲刚度有效率η提供了计算方法和参考依据。     

地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟

在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。     

Peck法在武汉地铁隧道地表沉降预测中的适用性分析

运用Peck法进行隧道地面沉降预测时,须求解适合于研究区域内特殊地质条件的沉降槽宽度i,该参数随区域特殊地质条件的差异而变化较大,这导致Peck方法的运用具有很强的地域性。运用最小二乘法对武汉地铁第24标段隧道区间的地面横向沉降量实测数据进行了Peck曲线拟合,结果表明:隧道纵向中线埋深与沉降槽宽度i在本区间也大致存在线性关系,即i=kH,且在本区间地层多为黏土、粉质黏土、黏土夹碎石情况下的k值宜取为0.7～0.9之间;当隧道中线埋深为10～15m之间时,约50%的监测断面系数k可取值为0.8,最大可取值为0.95,总体上其平均值约为0.86。运用前人提出的i值经验公式计算结果与拟合值进行比较,所得比值可作为修正系数对不同的经验公式做相应的系数修正,使之能够满足不同地域特殊地质条件下i值的计算需要。运用Peck法进行本区间隧道施工引起的横向地面沉降预测研究是可行的,其沉降槽曲线可以很好地拟合及预测本区间地铁隧道施工引起的地面沉降情况。