北京地区浅埋暗挖法下穿施工既有隧道变形特点及预测

 城市地下工程建设中,新建隧道近距离下穿施工对既有隧道造成的扰动不可避免。正确分析及可靠预计既有隧道变形成为目前地下工程建设的热点问题。在预测隧道开挖引起的地表位移的经验法中,Peck公式最简便,应用也最为广泛。搜集北京地区10个近接下穿工程23组数据,对既有隧道实测变形进行拟合,发现绝大多数符合Peck公式分布规律。拟合得到地层损失率为0.116%～1.183%,沉降槽宽度系数为0.93～6.76。讨论新建隧道施工工法、辅助施工方法、新建隧道与既有隧道的埋深、既有隧道刚度、新建隧道双洞间距、变形缝位置等因素对经验参数的影响,给出经验参数的修正公式。将经验参数修正公式与Peck公式相结合,为北京地区受新建隧道下穿施工影响的既有隧道变形提供一个简便、快捷的预测方法,并通过工程实例验证了预测方法的有效性。研究成果可对未来北京同类工程和其他地区近接工程设计和施工提供参考,同时对丰富同类工程数据库具有重要意义。     

隧道下穿既有地铁车站施工结构沉降控制案例研究

北京地铁6号线朝阳门站至东大桥站区间隧道采用平顶直墙结构垂直密贴下穿既有2号线朝阳门站。采用FLAC~(3D)模拟分析了密贴下穿施工引起既有地铁车站结构沉降规律,据此提出了下穿施工期间既有地铁车站结构沉降控制方案,并基于现场监测数据对既有地铁车站结构沉降进行了分析与安全性评价,主要取得以下认识:下穿段两沉降缝间的既有地铁车站结构为沉降控制的重点区域;区间隧道下穿施工期间,初支背后回填注浆能够在一定程度上减小既有地铁车站结构沉降,千斤顶顶升则是既有地铁车站结构沉降控制的关键措施;隧道开挖初期既有地铁车站结构沉降显著,根据现场监测数据及时调整千斤顶顶升力并加强注浆质量,确保了下穿施工期间既有地铁车站的结构安全。研究成果可为城市新建隧道密贴下穿既有地下结构等类似工程提供借鉴及参考。     

基于细观统计的各向异性砂土摩擦特性与破坏机制研究

应用细观统计的方法,从细观颗粒层面对砂土各向异性产生的机制进行研究,分析沉积倾角对砂土宏观摩擦特性与抗剪强度的影响,在此基础上对影响各向异性砂土摩擦特性和峰值强度的2个细观因素——抗剪承载系数和颗粒整体稳定性进行研究,并借助于"塑性铰–楔块"模型对这2个因素的具体作用机制进行分析,得到基于细观统计方法的各向异性砂土峰值内摩擦角的计算方法。最后利用改进的直剪实验对结果进行验证,研究结果表明:(1)土体内部颗粒定向排列是引起各向异性的主要因素,原生各向异性与次生各向异性产生的细观机制基本相同;(2)沉积倾角对剪切面上颗粒方向角的分布规律具有较大影响,并对土体宏观力学特性产生影响;(3)砂土承载力主要受颗粒方向角分布规律、颗粒整体稳定性和颗粒表面摩擦特性3个因素的影响,三者作用结果的叠加为最终土体强度,可进行量化计算。     

浅埋暗挖隧道近距施工引起的上覆地铁结构变形分析

 北京地铁4号线宣武门站分离式双洞隧道近距离垂直下穿既有2号线地铁车站。从整体变形和单个块体位移2个角度对既有车站实测位移进行分析,得出浅埋暗挖隧道近接施工分步开挖过程中上覆地铁结构的变形规律：(1) 既有地下结构整体沉降符合Peck曲线变形规律,而2个变形缝之间的块体结构位移则以转动为主,呈现刚体运动特征;(2) Peck公式拟合得到的地层损失率为0.118%～0.187%,其大小与既有地下结构是否存在、开挖断面大小无明显联系,而与新建隧道支护体系架设时机及刚度密切相关;(3) 拟合得到沉降槽宽度系数为2.44～3.87,为相同埋深天然地层的1.05～1.62倍,沉降槽宽度系数与支护体系刚度无关,而与工前地层加固、既有地下结构的存在有关,且其大小与开挖面积基本呈线性关系。研究结果可为类似工程提供借鉴及参考。     

基于应力平衡的上穿施工既有隧道微变形控制

新建工程上穿施工卸载导致下卧地层及既有地铁结构发生上浮变形。相比于下穿施工的超前预加固、千斤顶顶升、桩基托换等成熟且有效的变形控制技术,目前上穿施工引起既有结构的上浮变形尚未有较好的控制及恢复方法,是工程界亟需解决的问题。本文以北京某框架桥上穿既有地铁盾构区间工程为背景,基于案例搜集明确了当前上穿工程主要采用注浆加固和拉锚等辅助措施、既有结构实测上浮变形介于1.90~15.59 mm、新建工程开挖断面越大及既有结构纵向刚度越小则既有结构上浮变形越大的规律;采用理论分析提出了“应力平衡顶推法”,并制定了“力平衡,短进尺,勤量测”的施工控制措施;通过三维有限元计算,与压顶法和明挖法进行了对比,应力平衡顶推法引起既有隧道最大上浮变形最小(0.5 mm),是明挖法和压顶法的10%和12%。工程实际应用后,既有隧道实测累计最大上浮0.6 mm,为上穿工程提供了一种新的微变形控制方法。     

下穿施工影响下既有隧道和地层的位移解析解

在既有隧道下进行浅埋隧道开挖会引起地层产生位移,继而导致既有隧道变形。由于既有隧道与地层刚度差别巨大,常规的解析法无法计算存在不同刚度的地层位移场。基于镜像法,采用当层法对既有隧道刚度进行等效,建立综合考虑新建隧道-岩土体-既有隧道三者相互作用的计算模型。以北京地铁10号线国贸站-双井站区间下穿既有1号线区间工程为例,采用该计算方法,研究新建隧道下穿施工对地层及既有隧道的影响。研究表明,计算结果与实测变形吻合较好,解析解能很好的解释既有隧道对地层变形的阻隔和扩散作用。研究成果为下穿施工引起的既有隧道及地层沉降计算提供了一种新的解析方法。     

既有桩基对盾构施工参数的影响研究

盾构隧道施工邻近桥梁桩基已成为目前研究的热点问题。针对盾构施工参数取值在工程中的应用价值,利用三维弹塑性有限元分析了桩基引起地层的竖向附加应力,反推出了Geedes式中的桩端阻力、桩侧阻力分担桩顶荷载的比例系数与桩长的数学表达式,并将Geedes竖向附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径对比分析后,给出了桩基影响区域和非影响区域的界定半径;基于支护压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件,利用三维弹塑性有限元进行计算分析,给出了支护压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值和土体损失的计算表达式;基于桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力,给出了桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力阻力选取工作面静止土压力合力,注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时,对地层的扰动较小。     

既有地下结构受下穿施工影响的力学响应与安全控制研究

北京地区下穿工程中,新建隧道断面及施工方法种类众多、地层条件复杂、既有结构形式多样,有极其复杂的组合关系,目前尚无对既有结构力学响应的系统分析。通过北京地区13个下穿工程案例,总结了新建隧道结构形式及施工措施,明确既有地下结构变形特点,采用两阶段法分析及预测了各因素影响下既有地下结构的力学响应。研究表明:(1)新建隧道包括市政管道、地铁区间及车站,常见的施工方法有多导洞法、台阶法,洞桩托换法和中洞法,新建隧道开挖面积与施工方法有较明确的对应关系。(2)既有地下结构实测最大沉降概率分布符合数学期望4.89,方差16.4的正态分布。其中,新建市政管道、地铁区间和地铁车站下穿施工引起的既有地下结构平均最大沉降分别为2.56,3.82,11.07 mm。(3)根据新旧隧道空间位置关系的不同,穿越工程可分为7种组合,其中,既有地下结构力学响应有V,U,W 3种模式。(4)严格控制新建隧道开挖面积,不留或少留间隔土,尽可能选择W型穿越模式,以此减小对既有地下结构的扰动。