基于DEM的双线隧道地表沉降规律

为研究隧道开挖引起的地表沉降规律,运用PFC2D软件模拟Trapdoor试验,通过沉陷门下沉对双线隧道开挖引起的地表沉降规律及影响因素进行了系统研究。基于休止角试验和单Trapdoor模型试验得到数值模型的计算参数,通过开展单Trapdoor数值试验获取地表沉降曲线,拟合得到单线隧道开挖引起的地面沉降Peck公式参数。开展同时开挖的双Trapdoor数值试验,利用单Trapdoor参数叠加得到双线隧道开挖引起的地表沉降预测公式,并与简单叠加公式的拟合结果进行对比。最后进行先后开挖的双Trapdoor数值试验,揭示了隧道间距、埋深和双线隧道开挖顺序对地表沉降的影响规律。结果表明:随着隧道埋深的增加和隧道间距的减小,地表沉降曲线由"W"形态向"V"形态过渡;先后开挖工况下双线隧道引起的地表沉降曲线呈非对称分布,地表沉降量最大值出现在先行隧道一侧,且随着隧道埋深的增加,地表沉降曲线两侧最大值的差异有增加趋势;Peck公式拟合结果与离散单元法(DEM)数值模型和模型试验结果吻合较好,可用于双线隧道开挖引起的地表沉降预测,具有重要的理论指导和工程意义。     

大间距双线地铁隧道矿山法施工引发地表沉降的规律

目前绝大多数地铁区间隧道中,常常在同一埋深地层平行修建两条隧道。在两隧道开挖影响交叉区内,将导致较大的叠加地表沉降,沉降预测更加困难。文章利用数值模拟方法,结合实测数据及peck修正公式对大间距双线地铁隧道矿山法施工引起的地表沉降进行研究,得到一些规律：在两隧道开挖影响范围交叉区域内,地表沉降会相互叠加;大间距条件下隧道施工的先后顺序对地表最大沉降的影响很小,可以用peck公式来预测地表最大沉降,但预测地表沉降时,需对公式作出修正。     

地铁双线隧道开挖地表沉降规律及计算方法研究

应用数值模拟方法,结合现场实测数据,对上软下硬地层中,双线隧道施工诱发地表沉降规律及其计算方法进行了研究。研究结果显示:双线隧道施工完成后,地表横向沉降曲线呈非对称分布,先行隧道上方的地表沉降量大于后行隧道上方的地表沉降量;双线隧道错距施工过程中,地表沉降曲线最大值位置由先行隧道上方逐步向后行隧道上方移动,沉降变形主要发生在后行隧道穿越监测断面之前。数值模拟正交试验结果显示,隧道埋深和隧道间距对施工过程中地表沉降影响较大,设计过程中,应充分考虑隧道埋深及隧道间距对地表沉降产生的影响。正交试验结果的非线性拟合分析结果显示,双线隧道施工诱发地表沉降计算公式中的i值与隧道开挖顺序无关,最大沉降量比γ直随隧道间距增加而轻微减小,当开挖错距在隧道开挖纵向影响范围内时,γ值变化不大。引入参数γ对双线隧道开挖地表沉降计算公式进行改进,并将改进后的地表沉降计算结果与实测结果进行对比,验证了该计算公式的正确性。     

双线隧道不同布置方式下相互作用影响的地层位移解析

双线隧道开挖引起地层变形的既有理论研究,一般基于单线隧道计算结果直接采用线性叠加进行分析,而忽略了双线隧道之间的相互作用影响。为研究近距离地下工程开挖的相互影响,基于位移控制Schwarz交替法和复变函数理论,结合隧道洞周椭圆化收敛变形边界条件,提出了任意布置方式下双线盾构隧道开挖引起周围地层变形的计算方法。该方法以位移控制边界条件进行求解,体现了双线隧道开挖间的相互作用影响。通过离心试验和工程实例,将基于位移控制Schwarz交替法的复变函数理论解与线性叠加法解答以及实测数据进行了对比验证;针对双线隧道水平和斜交两种不同布置方式进行相关参数分析,获取了双线隧道间距变化引起的地层变形影响规律。结果表明:基于位移控制Schwarz交替法的复变函数方法求解得到的地表沉降曲线与实测值吻合较好,而直接线性叠加法解答存在较大误差。在地层等值线图规律分析中,水平与斜交布置下,两个隧道周围土体等值线图产生较为明显的相互"吸引"现象,隧道上方的土体沉降峰值线均向双线隧道中间倾斜,但随着双线隧道间距增加,"吸引"现象逐渐减弱。研究成果对于近距离双线盾构隧道开挖施工的现场保护措施制定提供一定的理论依据。     

平行隧道开挖引起场地沉降的透明土模型试验研究（英文）

为了便捷现代城市交通,地铁系统普遍采用平行隧道模式。平行隧道开挖引起的场地沉降预测一般基于单一隧道工况,利用简化叠加法生成变形剖面,而没有考虑两个隧道之间的相互作用。采用透明土模型试验技术,自主研发平行隧道模型试验装置及试验方法,研究了在砂质场地上开挖平行隧道引起的地表和地层沉降特性。通过模型试验探索了平行隧道间距、土体损失率、埋深等要素对地表和地表沉降的影响规律。在此基础上,量化了土体损失率和场地沉降值间的数值关系。此数值关系可为砂质场地中平行隧道施工与设计提供参考依据,也为隧道间距初选以及埋深的初步确定提供理论支撑。     

西安富水砂层盾构施工Peck沉降预测公式改进

隧道开挖引起的地表沉降预测主要有公式法、数值法、解析法等,由于Peck公式法的合理、简便,被广泛应用于隧道开挖引起的地表沉降预测中。但由于Peck公式的局限性,在不同地层中预测隧道开挖引起的地表沉降时需要对其进行修正。本文以西安地铁某区间盾构穿越富水砂层为背景,通过现场实测数据、线性回归方法并引入地表最大沉降修正系数α和沉降槽宽度修正系数β两个参数对原始Peck公式进行修正,得出α的取值范围为0.106 7~0.354 4、β的取值范围为0.539 0~0.681 9,将修正后的公式和现场数据对比发现拟合效果较好,参数取值合理。相关结论可供盾构在富水砂层中施工作为参考。     

基于北京地层地铁隧道施工的Peck公式的改进

地铁隧道施工引发的地表沉降受多种因素的影响,致使一些常用的地表沉降评价预计方法具有局限性,在实际工程应用中出现较大误差。本文以北京地区地铁隧道开挖大量实测数据为基础,利用数学方法,引入两个修正系数,即地表最大沉降修正系数α,沉降槽宽度修正系数β,对Peck公式进行改进,使之适用于北京地区研究区段涉及的工况。研究表明,当α介于0.6~0.9之间、β介于0.5~0.9之间可以获得良好的预测曲线。     

长春地层地铁隧道施工的Peck公式改进

Peck利用高斯方程提出预测地铁隧道开挖引起的地表位移的方法是目前众多经验方法中最为简便也是应用最为广泛的方法,但这一公式具有相应的局域性,对不同地区的适用性尚未有明确结论。本文以长春地区地铁隧道开挖施工为研究实例,通过对施工过程中大量地表沉降实测数据进行分析,利用线性回归的数学方法,引入两个修正系数:地表最大沉降修正系数α、沉降槽宽度修正系数β,对在长春地区地质条件下由地铁隧道施工引起的地表沉降进行分析研究。结果表明:长春地铁一号线施工区绝大部分实测地表沉降数据都可以较好的进行高斯分布拟合,且当α介于0.3~0.7之间、β介于0.6~1.0之间,Peck公式改进后所绘曲线更接近地表实测沉降数据,使预测效果更好。     

地铁浅埋暗挖施工对地表沉降及邻近桥基的影响

针对地铁隧道开挖诱发地表下沉,致使已有桥基变位的问题,采取经验法的叠加原理预测双线隧道开挖对地表沉降曲线的影响。以西安地铁3#线某区间为工程背景,采用三维有限差分数值(FLAC3D)软件模拟浅埋暗挖不同工况对地表和邻近桩基沉降的影响。理论分析及数值模拟结果均表明:双线隧道引发的地表沉降呈"U"型曲线分布,且沉降槽宽度影响范围和地表沉降均较单线隧道大。环形开挖预留核心土法可作为该区间隧道的主要施工工法。现场监测分析表明:该施工工法能有效地降低地表沉降和桩基变形,对黄土地区该类隧道工程具有一定的指导意义和借鉴价值。     

浅埋地铁隧道施工影响下含空洞地层的变形特征分析

地层空洞的存在使得隧道结构周围的地层环境变得更为复杂,在地铁隧道施工的影响下极易引起地表沉降加剧甚至地表坍塌。针对V级围岩地铁隧道,采用三维模型试验和数值模拟研究了不同位置地层空洞对地表沉降的影响规律以及空洞的变形特征,同时通过修正后的Peck公式对试验结果进行拟合分析。研究结果表明:空洞的存在使得地层损失加剧,地表沉降槽深度和宽度均有所增大,沉降槽曲线整体向空洞一侧偏移,通过修正后的Peck公式能较好地拟合出沉降曲线形态;从地表整体沉降形状上看,空洞上方一定范围内地表沉降较大,地表会出现明显的沉降盆形态;综合考虑空洞对地表沉降槽宽度和深度以及地层损失率的影响,认为空洞位于隧道斜上方是最不利位置,在施工过程中对这一方位地层空洞应重点关注;不同方位空洞的变形模式不同,主要表现为立式椭球体和卧式椭球体等变形模式。     

地铁车站开挖引起地表沉降分析方法的对比研究

 地铁隧道开挖过程引起的地表沉降会对周围环境造成一定的影响。结合青岛地铁车站开挖引起地表沉降过大的问题,首先,以该车站地表沉降实测数据为基础,利用Peck方法得到车站开挖引起的沉降槽宽度、地层损失率,拟合地表沉降槽曲线。并对该地铁车站开挖引起的地表沉降槽宽度的计算表达式给出建议。其次,利用随机介质理论方法反分析地铁车站初步开挖引起的地表移动参数,包括沉降槽影响范围以及断面收缩率,并利用所得的参数对该车站的进一步开挖进行地表沉降预测。最后,在将Peck方法和随机介质理论方法对比分析的基础上,得到2种方法对于地表沉降影响范围计算结果的差异;为了进一步验证该结论的正确性,利用反分析的方法得到我国部分城市隧道开挖引起的地表移动参数,并将开挖地层影响角换算为沉降槽宽度与现有的计算结果进行对比分析。     

建筑物对盾构隧道施工引起地面沉降模式的影响

本文以盾构隧道施工引起的地面沉降为对象,研究邻近地表建筑物的存在对其发生发展的影响。以具体工程为依托,以实际工程监测和数据分析为主要手段,研究得出：在有邻近地表建筑物存在时,地表沉降曲线形状与无建筑物存在时相似,均符合高斯曲线的形式;区别在于有建筑物存在时,地表沉降曲线的峰值要比无建筑物存在时小,曲线的反弯点离隧道轴线的距离要比无建筑物存在时远;说明了地表建筑物的存在以及建筑物基础与地基相互作用提高了盾构隧道穿越地基土层的刚度,对盾构隧道引起的地表沉降有控制作用。在盾构隧道施工及监测的过程中,可依据该特点合理布设有无地表建筑物存在情况下的监测测点,并对盾构隧道引起的建筑物及地标开裂现象做出合理的预测。     

地面出入式盾构隧道施工对周边地层扰动研究

传统盾构法隧道施工前需进行工作井的开挖,在人口密集的都市区开挖工作井对地面交通和周边建筑物有较大影响。地面出入式盾构法(GPST)避开了工作井大开挖施工,从理论上可以有效减小隧道施工的地层扰动,但由于该工法施工工艺特点,在盾构机穿越土层过程中需经过不同覆土厚度的地层,因此对控制施工参数有很大要求。本文以南京南站—禄口机场站GPST盾构隧道示范工程为背景,基于非线性有限元方法分析隧道穿越负覆土、零覆土、浅覆土段几种不同工况下地层位移以及孔隙水压力的变化,并与监测数据进行对比分析。基于Peck公式与双线叠加原理基础之上探究施工参数对双线隧道地表沉降的影响。研究成果对未来该工法的推广应用具有一定的借鉴意义。     

地下通道开挖对邻近条形基础的影响

运用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了地下通道开挖引起地表沉降及对邻近条形基础的影响,并给出了条形基础竖直沉降和水平位移最敏感距离的估算方法。文章首先针对无条形基础的自由场地基运用三维快速拉格朗日差分软件FLAC3D进行数值模拟并与Peck推导的理论公式即Peck公式进行地表沉降的对比验证,证明该数值模型的可靠性。然后通过数值模拟,研究了距地下通道中心轴线不同距离的条形基础在地下通道开挖时的沉降和水平位移。最后,根据计算结果给出邻近条形基础的地下通道开挖的安全距离,为安全施工提供依据。     

Behavior of Ground and Response of Existing Foundation Due to Tunneling

An apparatus has been developed to model the excavation of a tunnel in the laboratory. With this apparatus, 2D model tests are carried out to investigate the surface settlement and the earth pressure brought about by the tunneling. Finite element analyses using an elastoplastic subloading t_ij model are also conducted. The influence of volume loss on the surface settlement and the earth pressure, due to the shallow tunnelling, is illustrated based on the model tests and the corresponding numerical analyses. It is revealed that the surface settlement troughs and the earth pressure distributions around shallow tunnels depend on both the volume loss and the crown drift of the tunnel. The effect of the interaction between the tunneling and existing nearby foundations is also demonstrated in this paper. For existing foundations, the building loads control the surface settlements and the zone of deformation during the tunnel excavation. The behavior of the foundations depends on the deformation mechanism of the ground during the tunnel excavation. The induced axial force and bending moments in the piles of a piled raft are investigated numerically, and it is shown that the axial force changes due to the stress relaxation of the ground. Bending moments are induced in the piles at a lower value of soil cover due to the differential settlement of the piled raft.     

3D Effects on Earth Pressure and Displacements During Tunnel Excavations

Three-dimensional model tests of tunnel excavation and the corresponding numerical analyses were carried out to investigate the influence of tunnel excavation on surface settlement and earth pressure surrounding a tunnel. Numerical analyses were performed with the finite element method using elastoplastic subloading t_ij model. Two types of apparatuses were used in the model tests, namely-trap door apparatus and pulling out tunnel apparatus. The minimum excavation length along the excavation direction is 8 em in the trap door apparatus. However, the process of real tunnel excavation is more continuous. For simulating real tunnel excavation in 3D, a new apparatus was developed, which is called as the pulling out tunnel apparatus. This apparatus can simulate tunnel excavation in sequential way. Both experiments and analyses were conducted with various ground depths for simulating the influence of soil cover on tunnel excavations. Surface settlements are measured at the transverse cross-section of the ground. Earth pressures at the top of the tunnel in the trap door apparatus are measured. However, in the tests performed with the pulling out tunnel apparatus, earth pressures are measured adjacent to the tunnel cross section. In this paper, the effects of 3D excavation on surface settlements and earth pressures are discussed. It is revealed that arching is formed in both transverse and longitudinal directions of tunnel excavation. Numerical results show very good agreement with the results of the model tests. In the three-dimensional analyses performed in a sequential way, earth pressure is almost zero at the excavation front, irrespective of the soil cover. In 2D analyses and 3D analyses using the trap door apparatus, the earth pressure at the excavation front does not vanish, as observed in 3D sequential analyses.     

盾构法施工对近距离侧穿桥梁桩基的影响分析

盾构法施工地铁隧道近距离侧穿高速公路桥梁桩基时,引起地层移动和应力调整,导致桩基位移和内力发生变化,给上部结构带来安全隐患。以杭州地铁3号线工大站—留和站盾构区间双线施工为依托,运用三维有限元软件模拟盾构开挖施工的全过程,研究开挖过程对地层沉降及邻近桥梁桩基影响规律。结果表明,先行隧道开挖导致地表形成沉降槽,后行隧道开挖沉降曲线向后行线扩展;桩基竖向呈现刚体位移,单线开挖时在横向(Y方向)上嵌入土体桩基上半部分向隧道内倾移,下半部分背离隧道方向倾移,在纵向(X方向)上桩基呈现拱形弯曲,双线开挖时桩基横向位移发生反向叠加效应,导致最终横向位移基本接近初始状态,纵向上弯曲位移发生正向叠加效应;双线隧道先后开挖使桩基产生附加摩阻力和附加轴力,在隧道顶面分界线以上桩基总侧摩阻力较初始状态不断减小,分界线以下增加,位于-2.5 m以上桩基轴力较初始状态减小,以下增加;单线开挖时桩基弯矩变化明显,双线开挖弯矩出现反向叠加效果,基本保持初始状态。     

基于镜像法和相似理论的隧道地表沉降研究

隧道开挖引起的地表沉降主要由地层损失引起.在球孔扩张理论的基础上,采用镜像法推导了隧道地表沉降计算公式,可分析在地层损失、埋深、开挖推进距离以及观测点空间位置等不同因素影响下地表沉降的连续动态变化;同时结合上述地表沉降的影响因素和相似理论,通过相似准则之间的函数关系反映地表沉降规律;最后结合工程实测数据对计算公式进行验证,结果表明计算公式较好地体现了地表沉降规律.