隧道渗流引起的孔压变化及地层和隧道沉降

基于复变函数的映射变换,在考虑衬砌作用的前提下,推导了稳定渗流时浅埋隧道周围土体中孔隙水压力分布、地层和隧道长期沉降的解析表达式,并将其运用到上海地铁盾构隧道中,重点分析了不同渗流条件下的孔隙水压力分布及地层和隧道长期沉降发展规律.研究表明,土体与衬砌的相对渗透系数对隧道和地层沉降发展影响显著,不同相对渗透系数引起的渗流量不同,渗漏量不同是影响隧道周围孔压分布及沉降发展的关键因素;地表和隧道的沉降随渗流量的增加线性增加,因此在盾构隧道运营期间,应加强对隧道渗漏水的检测,及时采取补漏措施.     

接头渗漏和土体渗透各向异性对盾构隧道渗流影响的数值模拟

为了研究土体渗透各向异性对盾构隧道渗漏的影响,以上海地铁1号线为工程背景,首先,通过有限元数值软件,建立盾构隧道接头渗漏的计算模型;其次,将计算结果与解析解对比,验证数值模型的可靠性;再次,探究不同渗漏位置以及土体渗透各向异性比下,地下水渗入隧道对地表沉降以及隧道位移的影响;最后,提出不同渗漏位置下土体的临界渗透各向异性比。研究结果表明：对于修建于饱和软土地区的盾构隧道,土体渗透各向异性对地表以及隧道的影响与渗漏位置密切相关,隧道全部接头渗漏、仅上部接头渗漏、仅中部接头渗漏和仅底部接头渗漏等工况下,临界渗透各向异性比分别为1.6,1.1,1.3和1.4。当土体渗透各向异性比超过临界值时,需要考虑渗透各向异性的影响。当隧道全部接头渗漏时,忽略渗透各向异性会高估隧道以及地表的沉降,低估地表沉降槽的范围;当仅有一个接头渗漏时,忽略渗透各向异性会低估隧道的沉降、偏移、地表沉降以及地表沉降槽的范围。     

管线渗漏对地铁盾构影响的模型试验研究

文章采用室内模型试验,研究了地铁盾构施工中管线渗漏对管线、地层和隧道管片造成的影响,分析盾构施工与管线渗漏作用下的地表沉降和隧道管片内力变化规律。结果表明:地下管线渗漏的存在对隧道周围砂土的应力场和位移场有着较明显的影响,管线沉降增大了28.78%;管线渗漏的水体对砂土的渗透力作用,导致局部土体沉降增加,在管-土相互作用下,管线最终沉降值为0.840 mm,因渗漏造成的管线沉降占总沉降的24.76%;在隧道开挖过程中,隧道顶部始终受上部土体压力作用,并逐渐增大;管线发生渗漏,地表沉降变大,造成隧道管片承受的应力也随之增大,增幅为30%左右。     

上覆软弱路基加固对既有地铁隧道沉降的影响规律

为研究道路施工引起下方既有地铁隧道的沉降问题,在地铁隧道上方斜穿施工道路的基础上,进行了现场隧道沉降变形实测研究,分析了道路在路基注浆加固、路床和路面结构层施工阶段中地铁隧道的沉降曲线。建立地铁隧道-土体-道路模型对道路施工的注浆加固过程及路床和路面结构层施工进行模拟,通过比较地铁隧道沉降计算结果与现场实测值,验证了该精细化模型的准确性。基于此,分析了路床和路面结构层总施工厚度、道路土体性质、隧道下卧土层、隧道衬砌强度等关键参数对地铁隧道的沉降影响规律。结果表明：地铁隧道的沉降值与施工厚度呈正相关关系;道路的存在对隧道的沉降影响越小,其弹性模量和泊松比对地铁隧道沉降几乎没有影响;卧土层的弹性模量越大,土层越不易变形,且地铁隧道沉降越小;衬砌弹性模量增大对地铁隧道沉降影响反而越小。     

粉砂地层中列车载荷对曲线隧道沉降的影响

为揭示粉砂土层中列车移动载荷作用下曲线隧道沉降规律,采用MIDAS数值模拟软件,对地铁列车载荷进行动态模拟,以郑州地铁一号线一期工程为背景,对隧道结构进行现场实测,将作用在轨道上的载荷分解成列车轴重引起的竖向力、横向力以及轨道超高引起的离心力,研究列车移动载荷对不同曲线半径和车速条件下隧道周围土层动力响应和沉降的影响.研究结果表明:粉砂土层中列车振动载荷对曲线隧道周围土层的影响主要在隧道底部0～15m内;隧道下方土层动力响应和长期累积沉降随着隧道转弯半径的增加而减小;列车运行速度的提升导致隧道下方土体动力响应增加71.4%,与之对应的长期累积沉降值降低6.4%.研究结论总结了列车载荷对隧道的沉降影响规律,为盾构隧道工程施工提供参考与建议.     

地铁列车荷载引起隧道基底长期沉降研究

地铁隧道在投入运营后,由于地铁列车荷载引起隧道基底的变形与稳定已成为亟待解决的问题.为研究运营期昆明地铁在列车荷载作用下隧道基底长期沉降变形,首先通过人工激振力函数法确定地铁列车荷载时程曲线.其次采用有限单元法,建立地铁隧道基底土体的动力响应的数值模型,揭示隧道基底土层的动力反应特性.最后采用Li和Selig提出修正指数模型预测昆明地铁在列车循环荷载作用下隧道基底的长期沉降变形.研究结果表明:地铁列车荷载产生动应力主要影响范围在隧道底部0~5m;昆明地铁三号线运营10年后的隧道基底的累计沉降值约为14.3mm,第一年的沉降值约占运营前10年累计沉降值的52%.     

隧道掘进对周围土体的沉降影响分析

以盾构掘进工程为研究对象,建立了关于盾构掘进和的管片衬砌的力学模型,研究了由盾构机掘进施工过程对周围土体造成的影响.用ANSYS数值分析软件对所选取的盾构掘进隧道和足够大断面区域土体进行分析,采用Soild45单元来模拟土体和该区域之间的联系,并通过杀死和激活单元来模拟土体的掘进过程.研究结果表明,当盾构机掘进、管片衬砌及注浆的过程中,研究对象会发生沿Y轴对称的非线性变化,沉降量在隧道孔的上下两端达到峰值,但在孔的左右两侧位移量较小.盾构隧道的开挖、建环对地层的影响范围大体呈"V"型,在该地层下地标一倍洞泾以外沉降量较小,且模拟量略小于仪器监测值.     

软土隧道地铁振动效应现场实测与数值分析

为揭示列车运行软土隧道瞬时响应和长期沉降的影响,以上海地铁9号线某区间隧道为例,采用现场实测和动力有限元方法分析了软土隧道的自由场响应特征,基于经验公式法评估了隧道长期振动沉降.实测结果表明,隧道近处的地层响应以竖向振动为主,振动加速度总体上服从竖向加速度最大、横向加速度次之、纵向加速度最小的规律.隧道周围30 m范围内竖向加速度为0.02 ～0.32 m/s2,横向加速度为0.02 ～0.26 m/s2.竖向加速度在横向上以弧线状向外衰减,隧道斜上方和斜下方地层存在横向加速度放大现象,地层振动主频为0 ～400 Hz.地铁振动引起的土体动偏应力比小于2％,最大超孔压约为1.1 kPa.地铁运行初期隧道振动沉降主要来自土体不排水累积塑性变形,长期振动沉降则主要来自超孔压消散引起的固结沉降.研究软土地层响应特征有利于揭示地铁振动的传播过程.     

泥炭质土地区盾构隧道列车运营期沉降研究

为研究运营期列车振动荷载作用下盾构隧道地基土体的沉降特性,本文以昆明地铁二号线二期工程某区间隧道为例,结合地质勘察资料,建立Midas GTS NX三维有限元模型,通过人工激励函数对模型施加动力荷载,分析了列车满载高速的情况下,隧道周边土体的沉降特征,结合经验模型公式,预测了隧道在长期循环荷载作用下基底土体的沉降变形.研究结果表明:在长期列车振动荷载作用下,隧道周围土体发生被迫振动,类似作简谐运动;土体的沉降幅值随与振源距离的增加而减小;线路运营期基底土体沉降呈指数型增长,最终趋于稳定,第一年沉降16.9 mm,达前10年累计沉降的67.6%.为保障线路的安全运营,应重点加强隧道运营期前期的监测养护.     

城市地铁隧道施工引起的地面沉降

分析了城市隧道施工引起地表沉降的原因, 主要包括地层损失和在新的应力状态下土层固结与蠕变方面的原因.通常认为地层损失的体积等于隧道地表沉降槽的体积,而忽略了由于隧道施工降水排水和新的应力状态下土层固结引起的沉降变形.以矿山法施工为例,推导了隧道施工在新的状态下的土体内部孔隙水压消散的公式,进而考虑土体的固结引起的沉降变形.研究成果应用到南京地铁Ⅰ号线鼓楼玄武门段,根据具体地质条件和矿山法施工的实施进行理论计算分析,结果表明同时考虑地层损失和土体固结变形计算的地表沉降与实测结果吻合较好.     

北京地铁敞口式盾构掘进对砂层土体扰动规律研究

敞口式盾构在砂层掘进时会扰动周围土体,易引起地层坍塌.以北京地铁6号线2期敞口式盾构施工段为工程背景,阐述了国内首台挤压式敞口盾构机机体构造及开挖工序,通过地表沉降和地中水平位移监测,研究了盾构掘进对砂层的扰动特征.结合盾构掘进参数分析,探讨了减少土体扰动的控制措施.研究表明,盾构接近测孔区阶段,土体变形规律最复杂;通过和刚脱离测孔区阶段是土层变形控制的重要环节;盾构隧道轴线两侧1.5倍洞径范围内是土体扰动主要区域.所得结论可为砂土地层敞口式盾构施工地层位移控制提供可鉴参考.     

紧邻运营地铁进行基坑施工的影响因素研究

基于上海地区某深基坑工程施工方案,建立了紧邻运营地铁隧道的基坑开挖变形影响的有限元数值模型,重点分析了基坑围护支撑的数量和位置、基坑土体加固、地铁隧道位置、隧道下卧层土体和地下连续墙刚度对基坑周边地层以及隧道变形的影响.结果表明:基坑围护支撑数目及位置的选择对周边地层和隧道变形产生影响较大;隧道的存在对土体沉降具有"遮拦效应",在一定程度上能够减少坑外土体沉降;增加下卧层土体模量和地下连续墙的刚度可减少坑外地表沉降,有效控制地铁隧道的变形.     

双隧道开挖对地表沉降及地埋管线的影响研究

地铁建设中双隧道施工往往不是同步进行的,双隧道的布置间距及施工顺序的多样性将诱发复杂的地层响应,因此针对交叠双隧道施工对地层和管线的影响展开研究很有必要。以肩驮式双隧道开挖为研究对象,重点考虑开挖顺序和双隧道垂直间距不同时对地层和管线的影响机理。文章首先对比双隧道开挖对地埋管线的离心试验及数值分析的结果,验证了数值模拟的准确性和有效性。随后对双隧道开挖工况进行进一步数值拓展分析,着重研究了不同垂直间距及双隧道开挖顺序引起的地表沉降、管线竖向应变、土体剪应变和土体主应力的变化规律。研究结果表明,对于肩驮式双隧道,先上后下开挖时会产生较大的管线变形和地表沉降;随着双隧道垂直间距的增大,地表沉降和管线变形减小,但管线和周围土层受开挖影响的范围增大;当双隧道之间的垂直间距大于3.0D_T时,双隧道之间的相互扰动效应基本消失。     

正断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析

目的研究正断层位错作用下城市地铁隧道的抗震薄弱部位,为地铁隧道工程的抗震设计及地震安全性评价工作提供依据.方法采用拟静力弹塑性有限元方法,以北京地铁7号线工程的区间隧道作为研究对象,分析在正断层位错作用下地铁隧道的损伤破坏机理.结果通过大量的计算分析建立了临界覆盖土层厚度(H_(临界))与断层位错量(D_V、D_H)之间的关系式:H_(临界)=52.605D_V+144.117D_H-30.789,回归拟合了能够估计衬砌结构在正断层位错作用下抗震薄弱部位的关系式:L_(损伤)=0.345H+15.545D_V-5.212D_H+42.023(L损伤为损伤区域长度).结论在正断层位错作用下,衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围,拱顶部位损伤最为严重.增加基岩上覆土层厚度能够减轻衬砌结构的震害程度,当土层厚度不小于临界覆盖土层厚度时,正断层错动对于埋地隧道不会产生影响.正断层作用下竖向张拉力对隧道结构的损伤范围影响较大,在土层厚度相同的情况下,衬砌结构出现损伤区域的最终长度随着断层倾角的增大逐渐增大.     

软土盾构隧道施工沉陷的探地雷达检测

探地雷达利用高频电磁脉冲波的反射原理,可用于建筑物裂缝、地层孔洞或沉陷的探测.文章采用探地雷达法对上海地铁2号线延长线川沙东-航殷路软土段盾构隧道和隧道上部地表进行了无损检测和评价,探测结果表明: 552～576 m区段盾构隧道衬砌周围土层出现松动状况,由于盾构施工,隧道衬砌上部土体之间存在间隙,导致地表不均匀沉降;684～720 m区段隧道上部覆盖层土体较为松散,隧道左轴线处可能存在孔隙区,因而导致沉降和灌浆激增.     

考虑环缝接头水力劣化的盾构隧道渗漏数值分析

为了研究环缝接头渗漏的影响，以上海地铁1号线为工程背景，基于有限元分析，建立了三维盾构隧道接头渗漏模型. 依据隧道环缝接头张开量，建立了接头渗透系数与纵向沉降曲线曲率半径的迭代关系，实现了接头渗透系数的动态劣化，并与常渗透系数工况的结果进行对比. 研究结果表明：常渗透系数假设显著低估了隧道渗漏的危害程度，应采用更符合实际的渗透系数动态演化模型进行分析. 环缝接头渗漏发生后，地面产生了沉降漏斗，隧道纵向产生不均匀沉降，接头因此而张开，衬砌出现扁平化变形. 对待隧道渗漏问题应秉持“早发现，早治理”的原则，最迟应在渗漏发生后的0.2年内，完成治理工作.     

砂土隧道开挖引起的地表及深层土体变形研究

城市地铁线路网络渐趋密集,经常出现隧道近接既有建、构筑物施工的情况,变形控制要求严格,故精细预测隧道施工引起的地表及深层土体变形尤为必要.相较于黏土地层,砂土地层中隧道开挖引起的地表及深层土体变形十分复杂,具体表现为:隧道开挖过程中,地表以下土体的体积将随隧道土体损失率V_t的改变而发生改变,之前所提出的土体变形模式均不能很好地解释砂土中隧道开挖引起的土体体积变化行为.以之前的砂土隧道模型试验为研究对象,建立数值模型,对试验过程中地表以下土体的体积响应进行分析.研究发现,隧道开挖时,隧道周围土体的体积响应与应力路径密切相关,不同应力路径下的土体体积响应有所不同.数值结果表明,根据不同位置处应力路径特点,地表以下土体可被分成4个特征区域,地表及地表以下不同深度位置处获得的土体损失率(V_s和V_(sub))与隧道土体损失率V_t之间的差异均可通过4个特征区域的土体体积变化来解释.     

地铁隧道施工对地下复杂管线的影响分析

以黄土地区地铁隧道施工为背景,针对地下复杂管线的位移沉降进行全面分析.通过对不同材质的给水管、天然气管和污水管的监测数据分析、三维有限元分析以及安全性计算,结果表明管线材料对管线沉降影响较小,而管线周围土体环境对管线沉降有显著影响.进而总结隧道施工对不同材质管线影响规律,为黄土地区地铁隧道施工及类似深基坑设计和施工提供重要的依据.     

不同渗漏盾构隧道渗透特性及地表沉降研究

渗水是盾构隧道长期运营阶段的常见病害,这可能引发严重的地表沉降从而诱发灾害。以南宁市轨道交通一号线下穿粘土、粉土、砂土及圆砾土四种典型土层为工程背景,建立三维数值分析模型,考虑环缝和纵缝的渗水影响,在四种不同渗漏条件下对不同土层中的渗透特性及地表沉降进行分析。研究发现:环缝渗水对地表沉降、孔压分布及渗水流量的影响远大于纵缝渗水;土层的渗透系数不影响最终沉降量,但影响沉降达到稳定的时间,二者成反比;沉降稳定后的孔压分布主要由渗漏条件决定,不随土层变化;沉降稳定后的渗水流量与土层的渗透系数成正比。在同一规范限值渗水流量下,渗透系数越小的土层地表沉降越大,因此单独以规范流量限值是不能有效控制地表沉降的。     

砂卵石地层地铁近接下穿既有盾构区间施工控制技术

为探究地铁暗挖近接施工下穿既有盾构区间加固技术适应性,以成都5号线近接下穿既有3号线为工程背景,提出适应于成都砂卵石地层的预埋注浆加固保护方案,且通过数值模拟研究了不同注浆加固范围的保护效果、注浆过程对隧道结构影响以及对下穿过程规律性进行讨论,并结合现场监测分析.结果表明:既有隧道注浆加固范围扩大,其隧道结构变形呈线性减小,隧道结构纵向沉降槽呈线性缩小,适当增大既有隧道注浆范围可控制其变形量;预埋钢花管注浆加固过程中,浆液压力和土体硬化将导致既有隧道结构竖向产生沉降,水平方向相向靠拢;地铁下穿过程中,既有隧道结构主要产生竖向沉降,先缓慢沉降,隧道穿过后沉降变形突增,再趋于稳定,前期有一定反应阶段;相比既有隧道,近距离的大范围注浆加固导致土体硬化,5号线结构变形预变形阶段极大缩短,反应时间短,施工风险增大.提出二次衬砌工序优化、深孔注浆加固补救措施以及节点位置格栅密排等措施能够降低既有盾构运营风险.