An analytical solution for deforming twin‐parallel tunnels in an elastic half plane

The interaction between twin‐parallel tunnels affects the tunnelling‐induced ground deformation, which may endanger the nearby structures. In this paper, an analytical solution is presented for problems in determining displacements and stresses around deforming twin‐parallel tunnels in an elastic half plane, on the basis of complex variable theory. As an example, a uniform radial displacement was assumed as the boundary condition for each of the two tunnels. Special attention was paid to the effects of tunnel depth and spacing between the two tunnels on the surface movement to gain deep insight into the effect of the interaction between twin‐parallel tunnels using the proposed analytical approach. It is revealed that the influence of twin tunnel interaction on surface movements diminishes with both the increase of the tunnel depth and the spacing between the two tunnels. The presented analytical solution manifests that, similar to most of the existing numerical results, the principle of superposition can be applied to determine ground deformation of twin‐parallel tunnels with a certain large depth and spacing; otherwise, the interaction effect between the two tunnels should be taken into account for predicting reliable ground movement. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

盾构下穿高铁路基变形规律模型试验研究

为了探究盾构下穿施工对高铁路基U型槽结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,设计了试验监测系统,采用φ1 200 mm小型盾构机进行了盾构隧洞顶距路基管桩底不同距离的2组室内模型试验。结果表明：随着距离盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为2倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道顶距离分别为0.5倍洞径和1倍洞径时沉降最大差值为10%;U型槽结构与相邻地层间产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。建议管片拼装完成后采用保水性好且有一定早期强度的注浆填充材料,以控制沉降变形,同时进行地层深孔注浆,及时充填松动地层孔隙,增加地层密实度。     

西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测

以西安地铁一号线朝阳门站一康复路站区段饱和软黄土地铁隧道为研究对象,通过施工期现场地表沉降变形监测,分析了在饱和软黄土特殊地层条件下隧道浅埋暗挖法施工引起的该区段地表沉降变形规律以及地表沉降槽分布特征。结果表明：在饱和软黄土隧道开挖时,随着掌子面的推进,隧道顶地表沉降可分为沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段和沉降稳定阶段;单线隧道开挖后的最大地表沉降量为18．89mm,双线隧道开挖后的最大地表沉降量为36．4mm;已开挖隧道对围岩土体的扰动作用使得后开挖隧道的地表沉降发展较大;双线隧道的地表沉降槽宽度接近单线隧道沉降槽宽度的2倍,因此可以将其近似为单线隧道地表沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和;单线隧道开挖后地表沉降槽宽度为8．4～9．3m,双线隧道开挖后地表沉降槽宽度为16．2～17．5m;隧道开挖施工的沉降槽宽度参数为0．435～0．467,单线隧道开挖后的地层损失率为0．765％～1．324％,双线隧道开挖后的地层损失率为1．231％～2．200％。     

深埋小净距多线平行盾构掘进相互作用分析

浅覆软弱地层中小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道安全,但深埋情况下,由于地下岩土层的复杂性和不确定性,使得多线隧道施工时先行隧道的变形变得复杂。以上海硬X射线土建部分盾构隧道为背景,结合有限元数值模拟,分析了深埋小净距盾构隧道施工时的相互影响,并对不同的盾构参数进行了敏感性分析。研究表明:随着后行隧道的开挖,先行隧道管片的变形增量变化基本呈双峰特征。当采用左-右-中方式开挖时,管片变形增量呈一大一小双峰分布;而采用中-右-左方式时,管片竖向变形增量峰值的大小和方向相同,而水平变形增量的峰值相同,方向不同;随着浆液弹性模量的增加,管片竖向变形增量变化较大,水平变形增量基本不变;随着顶推力的增大,管片的变形也在相应地增大,并在支护应力比为0.6～0.7之间时达到稳定;地下水的存在对管片竖向变形有着一定的影响;通过对比2种开挖方式管片的变形收敛情况,选择左-右-中次序开挖比较安全。     

不同围岩类别小间距隧道施工过程模拟研究

从不同围岩类别出发,对3车道小间距隧道采用典型双侧导坑法的开挖施工过程进行了数值模拟研究。给出了不同围岩类型下的3车道小间距隧道在施工过程中的围岩破坏特征及其变形规律和变形规律的相似性,获得了洞周最大变形量值之间的相对比值关系。通过中隔墙的变形与塑性破坏规律分析,比选出了3车道隧道中隔墙最小间距的工程设计参考值。分析表明：II类围岩合理间距不应小于0.45B,III类围岩应在0.35～0.45B之间,IV,V类围岩可在0.2～0.35B之间选择,对信息化反馈施工,指出了必须重点监控与关注的位置。为小间距隧道的发展和施工设计提供了较确切的参考数据和理论依据。     

基于剪切破坏的深长隧道掌子面隔水岩层安全厚度的研究

突水是复杂地质区域隧道修建时常见的地质灾害。掌子面前方隔水岩层是阻止突水发生的重要安全屏障。本文主要对隧道前方隔水层临界安全厚度的确定方法进行研究。首先基于Mohr-Coulomb破坏准则构建了隔水岩层剪切破坏力学分析模型并得到相应的隔水岩层安全厚度的计算公式;其次,对于深埋隧道,构造应力场对水平应力影响更明显,通过理论分析以及安全性角度分析,发现利用竖向应力计算法向应力更合理;然后,考虑隧道开挖对初始地应力的影响,对上述模型做了进一步的改进;最后,结合跃龙门隧道工程突水灾害的特点,利用区间非概率可靠性以及概率分析两种方法对隔水岩层厚度进行分析,并与现场实测结果进行对比验证。工程案例应用结果表明本文所提出的计算模型是有效的。本文的研究成果既是对现有的临界隔水岩层厚度的知识体系进行补充和完善,也可为后续的风险评估、风险对策的制定提供辅助信息。     

甘肃引洮供水工程饱和黄土工程地质研究

当黄土分布区地下水埋深较浅时,黄土常呈饱和状态,不具湿陷性,简称饱和黄土,甘肃引洮供水一期工程总干渠13#、14#、15#隧洞通过饱和黄土,通过常规土工和扫描电子显微镜等综合测试,对饱和黄土的显微结构及化学成分进行了研究,并探讨了其微观结构与物理力学性质及工程特性之间的关系,认为应选择盾构法进行饱和黄土隧洞开挖。     

Access tunnel convergence prediction in longwall coal mining

Summary The paper describes theoretical andin situ studies of tunnel deformation in longwall coal mining. It develops a method to predict tunnel convergence profiles from the faceline in longwall mining. The method accounts for the effect of panel width, extracted seam height, deformation moduli of the goaf material and coal pillar, depth of cover,in situ structural defects, tunnel shape and tunnel size in addition to the strength characteristics of surrounding strata. The analytical technique has been validated by reference toin-situ deformation measurements in 26 face-access tunnels in Cape Breton Coalfield mines. Based on this method a series of vertical convergence profiles for different depths and extracted panel widths have been presented.     

Performance of a multi-face tunnel excavated in loess ground based on field monitoring and numerical modeling

In large-span tunneling projects, the mechanical behavior of the rock changes in response to different sequential excavation methods (SEMs) of advancing the tunnel face. The double side drift method (DSDM), which is a development of SEM, was widely used in loess tunnels with large cross sections in China for its ability to limit ground displacement. This paper presents the deformation characteristics of large-span loess tunnels of the high-speed railway line in China. Field monitoring and numerical simulations were conducted to determine the optimal construction approach and reveal the deformation properties of large-span loess tunnels in China. The construction approaches, support measures, ground surface, and subsurface deformation characteristics associated with DSDM are demonstrated. The ground surrounding the loess tunnel underwent vertical settlement at the arch part and at the ground surface because of the metastable structure of the loess. This study provides an in-depth illustration of the influence of face-advancing sequences on ground displacement induced by tunneling, which helps us implement the most effective SEMs.     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

黄土隧道围岩稳定性粘弹塑性有限元分析

模拟分析黄土隧洞围岩稳定性对了解黄土隧洞变形破坏机理,对黄土隧洞设计施工理论具有重要意义.采用粘弹塑性模型对黄土隧道围岩进行有限元分析,研究围岩的变形规律,探讨围岩位移场分布,并同真实试验黄土隧道的侧面无衬砌和半衬砌两种工况各3种状态的变形破坏结果进行比较,发现用有限元方法模拟的结果与真实隧道的变形破坏过程基本吻合,此结果可为类似的黄土隧道工程的设计施工提供参考.     

地下综合管廊穿越地裂缝变形与受力特征研究

以西安市昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝为研究对象,基于有限元数值模拟分析了地裂缝错动作用下分段地下综合管廊的变形与受力特征。结果表明:地裂缝错动作用下地下管廊顶板竖向沉降变形整体上呈现反“S”形特征,其变形量随地裂缝错动量的增大而增大;管廊结构纵向变形大致可划分3个变形段即下盘翘曲变形段、不均匀沉降段和上盘整体沉降段;在管廊设计使用寿期100 a内地裂缝错动量为50 cm时,管廊接头部位顶板的水平位移在地裂缝带处达到峰值,为4.1 cm,而底板水平位移为3.2 cm,管廊接头部位易发生张开、错位破坏现象,应予以加固;在地裂缝带附近,上盘管廊底板的接触压力减低至0,存在底板脱空现象,应预留注浆孔便于必要时进行注浆加固处理,而下盘管廊底板的接触压力则有明显增大的趋势;当地裂缝错动量超过20 cm时管廊结构顶、底板的拉应变超过了混凝土的极限拉应变,管廊变形破坏模式主要为拉张破坏。研究结果可以为西安市及其他地裂缝发育区地下综合管廊穿越地裂缝带的结构设计提供科学依据。     

含气地层中气体释放对盾构隧道稳定性影响研究

随着地下工程的建设日益增多,部分工程穿越含气地层,含气地层会对隧道的施工产生一定不良的影响。盾构在沼气地层掘进过程中,由于管片气密性不良造成沼气通过管片环缝进入隧道,引起管片的纵向变形。针对这一现象,建立管片环缝单点气体释放条件下的管片变形模型,并用数值模拟方法与理论结果进行对比验证。通过其变形公式,分析不同含气层厚度、不同初始气压条件对管片的变形及管片接缝张开量的影响,探讨管片损坏的地层条件。结果表明,对于含气层较薄（＜1.5 m）、气体压力比较小（＜150 kPa）的地层,隧道气密性不严导致气体泄漏进入隧道会导致管片下沉,但一般不会破坏管片的防水设施。当含气层厚度大或气体压力较大时,气体释放会引起比较大的管片变形,破坏管片的防水能力,导致地下水进入隧道,引起管片的进一步变形;地层扰动大时,地层土体随地下水进入隧道,会造成管片的严重损坏,以至于断裂。     

浅埋洞口段黄土公路隧道施工变形性状现场测试研究

以某黄土公路隧道工程为依托,借助现场测试方法研究浅埋洞口段黄土公路隧道地表沉降、拱顶下沉和周边收敛时态分布规律,并结合实测数据建立隧道施工变形统计分析预测模型。研究结果表明:（1）黄土隧道施工变形呈现显著的时间和空间效应,其时态分布曲线符合指数函数型发展规律;（2）地表沉降随时间呈增长趋势,约60 d后逐渐趋于稳定,其最大值（w_max）的统计变化范围为（?30.78～?105.20）mm;（3）横向地表沉降曲线分布呈凹槽形,沉降槽宽度约（3～5）倍隧道跨度（B）,且隧道开挖引起的地层损失率为0.74%～3.08%;（4）拱顶下沉与周边收敛时态曲线可分为线性增长、持续变形和平稳发展3个阶段,且线性增长阶段占总变形量的60%以上;（5）v_max的统计值变化范围为（?17.1～?201.1）mm,其95%置信区间为[?51.53,?65.11],u_max的统计值变化范围为（?12.1～?122.0）mm,其95%置信区间为[?35.08,?43.39],建议V级围岩黄土隧道预留变形量取值范围为（?100～?150）mm;（6）拱顶下沉与周边收敛速率时态曲线呈先急剧增加后逐渐衰减趋势,最终稳定后的拱顶下沉速率（Δv）和周边收敛速率（Δu）依次为（?0.05～?0.80）mm/d和（?0.02～?0.60）mm/d。     

黄土隧道施工方案的数值分析

黄土隧道围岩不同开挖与支护施工方案的数值分析,对了解黄土隧洞变形破坏机理以及黄土隧洞设计施工理论具有重要意义。对黄土隧道围岩采用中壁法和双侧壁导坑法开挖各3种不同支护顺序分别进行了模拟计算,考察了各个施工工序地表最大沉降量、隧洞拱顶最大下沉量、围岩塑性区分布、衬砌单元弯矩以及岩体总应变能变化。计算结果表明,从开挖方法来说,双侧壁导坑法要优于中壁法;从支护顺序来说,滞后支护要优于及时支护。此结果可为黄土隧道工程设计施工提供参考。     

锚杆长度和间距对洞室抗爆性能影响研究

根据Froude相似理论,通过模型试验,对普通锚杆、中密锚杆、长密锚杆、短密锚杆、长短相间密锚杆加固洞室的抗爆性能进行了研究,分析了不同长度、间距的全长粘结式锚杆加固洞室在围岩应力、洞壁加速度、洞室拱顶底板相对位移、洞壁环向应变、洞室破坏形态等方面的不同特点。采用FLAC3D对模型试验进行了模拟,并利用参数化建模方法分析了洞顶位移随锚杆长度、间距的变化规律。研究结果表明：减小锚杆间距比增加锚杆长度更能有效地提高洞室抗爆能力,且锚杆间距必须达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在锚杆长度相同的情况下,密锚杆能明显减小洞室拱顶加速度峰值、拱顶底板相对位移峰值、残余值和拱脚部位压应变峰值、残余值;当锚杆长度增加到一定程度后,加固的效果并不明显,而且带来了底板加速度峰值、拱顶拉应变峰值的增加;锚杆的最佳长度可取为1/3洞室跨度,锚杆的最佳间距可取为1/15洞室跨度。     

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

大断面小净距隧道围岩稳定性数值分析 大断面小净距隧道围岩稳定性数值分析

结合小净距隧道工程特点,分别建立不同跨度小净距隧道有限元计算模型,对隧道施工过程力学特征及围岩稳定性进行对比分析,以研究三车道大断面小净距隧道区别于两车道小净距隧道的基本力学特征。分析结果表明,对应不同隧道跨度、隧道净距和围岩级别对隧道施工过程中围岩稳定性的影响有显著差别,相同隧道净距条件下,三车道小净距隧道围岩应力状态比两车道隧道差,净距越小,差别越大,而围岩质量越低,差别也越显著;另外,在质量较差的围岩中,大断面小净距隧道围岩受力最薄弱部位主要集中在岩柱雁形部,而两车道小净距隧道则为岩柱中部。研究结果可为大断面小净距隧道的设计、施工提供有益的参考。     

基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究

以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。     

复杂地层超大断面隧道施工围岩力学特征模型试验

以京沪高速济南连接线港沟隧道穿越断裂破碎带区域为依托工程,研究了复杂地层超大断面隧道施工情况下围岩力学响应特征。研发了大型可拼装式地质力学模型试验系统,搭建了以静态数据采集为基础的应力–应变场监测系统和以光栅测距为基础的位移场监测系统,开展了复杂地层超大断面隧道施工过程力学模型试验研究。通过对试验开挖过程中位移变形和围岩应力变化的实时监测,揭示了超大断面隧道穿越断裂破碎带施工过程的力学演化规律。监测数据表明：位移变形大致可分为“缓慢增加-急剧增大-稳定状态”3个过程,水平收敛位移要早于拱顶沉降进入急剧增大阶段;应力变化也可分为“应力积聚－应力释放－稳定状态”3个阶段。形成的试验方法技术以及结论对类似工程研究具有重要的指导和借鉴意义。