紧邻超大超深基坑的地铁隧道施工微扰动双液注浆加固技术

南京河西某商业广场超大超深基坑因深层土方开挖、围护支撑拆除等施工活动,会给紧邻基坑并已运营的地铁隧道造成侵害。为此,通过将在上海软土地区地铁隧道通缝盾构管片采用的微扰动双液注浆加固技术,应用于南京砂土地区且邻近该商业广场的地铁隧道错缝盾构管片的加固中,并对管片收敛变形、管片接缝变形、断面变形以及垂直位移进行了跟踪监测。数据表明,各变形均在加固过程中或加固后得到有效的控制,保证了地铁的运营安全,从而验证了砂土地区错缝盾构管片采用微扰动双液注浆加固技术的可靠性。     

注浆治理隧道横向大变形的效果及力学反应分析

以上海轨道交通L2东延伸段隧道的严重超载事故及其后续注浆加固修复工程为背景,建立FLAC 3D有限差分软件的数值计算模型。以隧道横向收敛变化量、接头张开及错台、管片内力变化情况为指标,分析注浆技术整治隧道横向大变形问题的效果和力学反应,指导施工。     

媒体重头文章概览

正《建筑施工》10/2017南京河西某商业广场超大超深基坑因深层土方开挖、围护支撑拆除等施工活动,会给紧邻基坑并已运营的地铁隧道造成侵害。为此,通过将在上海软土地区地铁隧道通缝盾构管片采用的微扰动双液注浆加固技术,应用于南京砂土地区且邻近该商业广场的地铁隧道错缝盾构管片的加固中,并对管片收敛变形、管片接缝变形、断面变形以及垂直位移进行了跟踪监测。数据表明,各变形均在加固过程中或加固后得到有效的控制,保证了地铁的运营安全,从而验证了砂土地区错缝盾构管片采用微扰动双液注浆加固技术的可靠性。(段博,陈云峰,张赢军)     

道路填土引发软土地铁盾构隧道变形案例及整治技术

随着轨道交通网络的逐渐完善以及城市化的不断推进，临近地铁隧道的加、卸载工况频发，对地铁隧道的健康状态产生不利的影响。上海某地铁区间由于道路填土导致隧道发生了159 mm（也即25.6‰D,D为隧道直径）的横向大变形，引起结构产生漏水漏泥、接头张开等严重的结构病害。全面记录了该工程案例的详细情况，包括工程地质资料、道路施工情况、隧道变形形式以及后续的变形整治措施等，并对整治效果进行了定量分析，特别是侧向微扰动注浆技术的修复效果。现场数据表明：道路施工引起隧道横向变形增量约为30～50mm，局部明浜回填会加剧变形的发展；侧向微扰动注浆能够有效地修复隧道已发生的横向变形，且注浆量与隧道变形量存在定量关系，并且明显受到注浆前隧道变形量大小的影响；道路卸载后回填以及后续的钢板加固，能够在保证工程建设的同时，又能保证隧道结构的安全。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

盾构管片横向大变形TRC控制方法及作用机制研究

 为有效控制盾构管片的横向变形,分析盾构隧道的加固特点和常用内表面加固方法存在的不足,提出纤维编织网增强混凝土(textile-reinforced concrete,TRC)控制方法。建立TRC加固层及界面模拟方法,并利用试验结果验证该方法的合理性,进一步采用数值手段研究隧道横向变形和顶拱接头张开量在不同地层刚度系数、加固时机、纤维编织网用量和加固层布置范围下的响应规律。在此基础上,结合管片的变形和内力规律,揭示TRC控制管片横向变形的作用机制。研究表明：TRC能有效控制隧道横向变形和顶拱接头张开量,地层刚度系数越小,控制效果越优异;加固前隧道已有变形会造成纤维编织网产生损失应变,已有变形越小,损失应变越小,控制效果越好;纤维编织网用量提高,控制效果增强,但纤维编织网利用率降低,因此增强趋势减弱;TRC加固层合理布置范围建议在顶拱反弯点间的受拉部位,在该范围内,加固层越长,控制效果越好。研究结果丰富了管片内表面加固方法,深化了内表面加固机制的认识,可为工程实践提供理论指导和技术支持。     

注浆对隧道上覆填土开挖引起变形的控制作用

随着城市化进程的推进,大量的工程开挖活动不可避免地引起周围地铁隧道发生变形,相关变形与控制技术研究具有重要的工程价值.以武汉地铁4号线某区段上覆填土开挖工程为例,采用有限元软件MIDAS GTX构建了数值分析模型,对比分析了注浆与未注浆加固两种方案上覆填土分层分步开挖隧道的变形规律.结果表明填土开挖的卸荷效应会引起隧道管片椭圆化变形以及整体隆起,若对隧道上部地层注浆以及两侧施作高压旋喷桩加固,则可减小隧道隆起变形量约30％.     

斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变形的影响

盾构隧道管片接头的性能对衬砌环的受力和变形有很大影响,尤其在软土地区,接头变形过大会造成渗水和漏泥等危害。以盾构隧道复合管片斜螺栓接头为研究对象,基于实际隧道工程,利用ABAQUS建立了复合管片及斜螺栓的三维实体模型,对管片环向斜螺栓接头在荷载作用下的受力及变形规律进行研究,分析不同等级普通螺栓和高强螺栓对接头错台量和张开量以及斜螺栓应力应变的影响。分析结果表明:斜螺栓接头承受正弯矩的能力优于负弯矩;采用高强螺栓能够有效的减小接头张开量,增大接头刚度,从而减小渗漏现象;弯矩较大时,螺栓等级越高,高强螺栓对错台量的控制越好;同样荷载条件下,高强螺栓应力大于普通螺栓,但应变较小,等级越高应变越小。     

加固厚度对软土地层大直径盾构隧道抗浮的影响

为研究软土地层隧道工程中软土地基的加固厚度对隧道上浮量的影响,以珠海市横琴杧洲隧道为依托,采用小应变硬化模型(HSS模型)作为软土本构模型,在PLAXIS 3D软件中建立了软土地层大直径盾构隧道的有限元模型,计算并对比了不同环形加固厚度下的隧道上浮量、河底土体位移和隧道周围土体的受扰动范围。结果表明:未对软土进行加固时,数值模拟得到的土体位移与二维理论推导的结果吻合较好; 软基地层预加固处理能使加固土体与隧道整体抗浮,有效抑制隧道局部的上浮变形; 软土加固厚度为0.10D(D为隧道外径)时,河底上浮量和隧道上浮量分别比未加固时减小了32.8%和36.4%,隧道上浮量和地层受扰动区域随加固厚度增加逐渐减小; 该工程中隧道环形加固厚度大于0.20D时,计算得到的管片上浮量控制在30 mm以内,河底最大上浮量控制在20 mm以内; 根据管片接头错台量和隧道上浮量的关系得到可控制管片接头偏差在5 mm以内,满足规范中管片拼装和验收时接头允许偏差量的要求。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法

 盾构隧道横断面收敛变形是评价隧道结构性态的重要指标。由预制管片拼装而成的盾构隧道,接头刚度显著低于管片刚度,因此,其横断面变形主要集中在接头张开及管片转动部位。针对盾构隧道横断面变形特点,提出考虑分布式光纤传感技术空间分辨率的点式固定方法,测量相邻管片接头两侧的相对位移。运用几何学原理,对管片接头张开、管片转动及隧道变形进行分析。通过2组不同轴力下的盾构隧道接头室内原型试验验证该方法,结果表明该方法可以有效感知盾构隧道横断面变形。采用该方法长距离布设光纤,可形成盾构隧道变形感知神经网络,提高监测密度,实现长距离、高密度、高精度、低成本的盾构隧道变形健康监测,从而保证地铁隧道的运营安全。     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

全风化岩层中双线盾构上穿近邻地铁隧道影响分析

依托佛莞城际铁路盾构隧道在全风化花岗岩地层中上穿广州地铁七号线工程,针对全风化花岗岩地层致密、渗透系数小及双层四线叠交穿越复杂地层等特点,通过现场监测与三维动态有限元数值模拟手段,解决实际工程中注浆压力合理取值与既有隧道变形控制这两大难题。其中,通过模拟掘进隧道在不同注浆压力值的工况下,对既有隧道动态上浮变形值和地表沉降值的影响关系,进而确定最佳注浆压力值。同时,由于双层四线叠交穿越工况对既有隧道扰动的影响较大,为避免发生管片错台和开裂等危险,结合工程实际提出控制既有隧道变形的措施。研究结果表明：在全风化地层中注浆压力设为0.5MPa时,能合理控制地表沉降与既有隧道变形;穿越施工对既有地铁隧道竖向变形的影响存在“滞后效应”;盾构单线穿越后,既有隧道竖向变形呈现近似单波峰状的正态分布曲线;盾构二次穿越后,曲线形态由近似正态分布曲线向类“M”双波峰形转变,且波峰位置产生约2m的偏移;既有隧道横断面管片最终变形呈“竖鸭蛋”状,其横向椭圆度为1.4‰,竖向椭圆度为0.71‰。针对分析结果,工程中采取合理的压重措施,有效抑制既有隧道的上浮变形,研究成果在隧道穿越类似地层的施工中具有一定的参考价值。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

超大直径双线泥水盾构施工的三维数值模拟

以上海长江西路隧道工程为背景,基于适合软土的修正剑桥模型并综合考虑盾构开挖、开挖面泥水压力、盾尾注浆以及盾壳刚度和坡度等因素,建立单台超大直径(=15.43m)泥水盾构往返推进的三维有限元模型。分析不同施工步、不同泥水压力下北线盾构施工对地表沉降以及新建南线隧道的横向位移影响。通过数据分析发现,盾构返回推进时的地表位移规律明显区别于单条隧道施工的情况;盾构的反向推进会造成已建隧道管片的挤压变形以及顺指针的旋转;返回推进时,泥水压力的不同取值对已建隧道的横向位移影响显著。根据数值分析结果提出相应的施工建议:盾构返回施工时适当减小泥水压力;密切监控盾构返回推进时切口断面后1倍刀盘直径范围内已建隧道管片的变形量。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints

Unloading during lateral excavation widely occurs in existing subway shield tunnels. Previous studies have focused on the overall stress and deformation of existing tunnels caused by nearby unloading. However, the stress and deformation state of tunnel segment joints have yet to be considered. This study considered the non-continuity of the shield tunnel lining and the interactions among tunnel segment, surrounding rocks and ballast bed. A hybrid model of a shield tunnel was established based on 3D nonlinear contact theory. The mechanical and deformation properties of the segments and joints of an existing shield tunnel under the influence of lateral excavation of the foundation pits were studied. Unloading during lateral excavation caused the cross section of the shield tunnel to generate vertical convergence and shift horizontally towards the foundation pit. An opening and dislocation in the joint, which caused the waterproof ability of the joint to decrease sharply, were observed. Meanwhile, stress at the segment joint increased sharply and caused local cracks in the segment lining. Axial and shearing force on the joint bolt also increased significantly. Based on existing subway regulations, the calculation results were combined to establish a deformation control standard for existing shield tunnels under lateral excavation. The rate of vertical convergence of the lining should be less than 3.68‰, and the rate of horizontal shift of the axis should be less than 0.53‰.     

基坑开挖引起邻近盾构隧道转动与错台变形计算

基坑开挖会对邻近盾构隧道的变形产生显著影响。考虑基坑开挖时卸载在隧道轴线处产生的附加应力,建立了综合考虑剪切错台变形和刚体转动变形的隧道变形计算模型,结合最小势能原理推导出隧道的纵向变形量、环间错台量、环间转角和环间剪切力的计算公式。选取两组工程实例进行分析,将计算结果与实测数据进行比较。研究结果表明:邻近并平行于盾构隧道的基坑侧壁的卸荷效应对旁边隧道的影响最大;隧道水平位移最大值附近的管片基本不发生错台变形和刚体转动变形,环间剪切力值也很小;而在隧道水平位移曲线的反弯点处,隧道的剪切错台量、环间转角和环间剪切力值达到最大;在基坑开挖工况下,邻近隧道的水平位移变形模式以剪切错台为主,刚体转动为辅。     

平行隧道盾构施工对土体变形的影响分析

采用有限差分软件FLAC^3D,建立盾构隧道的三维数值模型,研究平行盾构隧道施工引起的地表沉降和土体水平变形规律。比较了单、双孔隧道施工地表沉降的特点,分析了平行盾构隧道施工的同步性、掌子面距离、注浆时间和土舱压力等对土体变形的影响,研究结果对实际工程具有一定的参考意义。     

上海运营地铁盾构隧道收敛变形规律研究

以上海运营地铁盾构隧道为研究背景,建立了包括收敛变形、结构型式、赋存地层、隧道埋深以及运营时间等关键样本元素在内的上海地铁盾构隧道收敛变形数据库,样本总数超过58 000个。分析了不同样本元素对于盾构隧道收敛变形的影响规律,在相同条件下,单圆错缝盾构隧道收敛变形小于单圆通缝隧道,当隧道同样赋存于淤泥质粘性土中时,该特征相对明显。此外,赋存于砂性土单圆通缝盾构隧道的收敛变形相对小于粘性土,2-3地层样本隧道收敛状况明显好于44地层样本,砂性土地层有助于控制盾构隧道收敛变形;根据2011年至2015年长期收敛变形监测数据统计,盾构隧道收敛逐年存在微幅增加的现象。