盾构开挖有限元三维模拟实验

盾构技术在地铁开挖工程中有广泛应用,土体开挖引起地表沉降,影响到隧道本身及地表建筑物的正常使用及安全。利用大型通用有限元软件Abaqus,综合考虑各种复杂影响因素,建立盾构隧道三维开挖有限元模型,对盾构隧道动态开挖过程进行精细模拟,得出盾构开挖时土体位移沉降规律,讨论盾后注浆压力及支护压力模拟取值变化对地表最大沉降（隆起）的影响。研究的结论具有重要的理论价值和工程实际意义。     

双线隧道盾构施工对临近 高层建筑物的影响分析

以北京市轨道交通6号线某区间盾构隧道工程实例为背景,针对双线盾构掘进先后通过临近高层建筑物的特殊情况,首先通过FLAC3D软件对该工程进行数值模拟,分析了先后盾构掘进两条平行隧道时地表最大沉降值的位置,以及盾构掘进与临近建筑物相互作用对地表沉降的影响;其次,对盾构掘进先后穿过高层建筑物的实测数据进行了分析,获得了双线盾构顺序穿越临近高层建筑物过程中地表沉降的变化规律;最后,分析了盾构施工对临近高层建筑物的影响.结果表明：在盾构面前方20 m作用的范围内,地表略微隆起,而盾构通过40 m后地表沉降基本稳定;后行隧道引起的地表沉降大于先行隧道引起的地表沉降;临近高层建筑物在隧道沉降槽影响范围内时,盾构施工对建筑物影响较大,而与双线隧道的先后施工顺序关系不大,数值计算和实测结果相符,对类似工程有一定的借鉴和指导意义.     

不同平行距离下盾构施工对邻近砌体结构的变形影响

软土盾构施工将导致周边土体位移场改变,从而诱发邻近建筑产生附加变形甚至局部开裂.通过建立三维有限元数值模型,分析了隧道不同施工距离条件下,浅基础砌体建筑受盾构开挖的影响变形,重点研究了建筑物的横向水平位移、基础沉降特点、墙体的相对挠曲变形和主拉应变变化规律.结果表明:基础相对沉降峰值出现在隧道开挖面位于建筑物中部位置,绝对沉降峰值则出现在盾构施工完毕时;随着隧道中轴线与建筑物中轴线之间水平距离的增大,建筑横墙相对挠曲将依次呈现为下凹形态、"∽"形态以及上凸形态,且主拉应变在下凹和上凸形态相对挠曲最大时达到峰值;建筑纵墙主拉应变则因开挖面位置的不同呈现明显差异,主拉应变最大值出现在开挖面位于建筑物中部位置.     

深大基坑开挖对邻近建筑物及隧道的变形影响

以天津地铁邻近的某广场深基坑工程为背景,基坑东西两侧的围护结构采用邻近建筑物的地下室连续墙,基坑下部有地铁隧道穿越。基坑开挖对邻近既有建筑物和地铁隧道产生变形影响,采用有限元软件MIDAS/GTS进行数值模拟。计算结果表明,采用既有建筑地下室侧墙作为基坑围护结构,基坑开挖对该建筑沉降量和倾斜影响较小;开挖对隧道侧向位移影响较大,而对隧道轴向位移影响可以不计,隧道总位移量不影响正常使用。合理利用周围既有建筑物,地下室永久结构作为基坑临时支护结构,能够节约资源和降低成本。     

跨越地铁隧道超高层建筑桩筏基础数值模拟及优化设计

基于某跨越地铁超高层建筑的设计实践,采用Mohr-Coulomb屈服准则,利用ABAQUS建立三维有限元数值模型,研究地铁隧道穿越建筑物基础时对桩筏基础变形和内力的影响,并根据数值计算结果对经验方法的设计进行优化。数值分析结果表明:开挖增大了筏板的弯矩;隧道开挖会引起附近群桩向隧道方向挠曲变形,且前排桩的变形大于后排桩的变形,同一排桩中边桩变形大于中桩变形;隧道开挖对桩的桩身轴力、弯矩及水平变形的影响主要发生于桩顶至3倍隧道埋深的桩身范围内;随着盾构掘进正面推力和径向压力的增大,桩身挠曲变形逐渐减小并最终使桩身发生远离隧道方向的挠曲变形。     

双线隧道下穿引起框架-剪力墙结构竖向位移分析

地铁隧道施工会引起地表沉降,对地面环境产生影响.当地面存在建筑物时,会引起建筑物的变形.以青岛地铁隧道下穿某建筑物为例,利用施工过程中监测到的地表沉降数据,借助随机介质理论和Peck方法反分析地表移动参数,研究了地表沉降规律,并在隧道下穿建筑物时进行地表沉降预测;通过有限元软件ANSYS建立了研究对象建筑物的三维有限元模型,并进行了数值分析.研究结果揭示了隧道施工对钢筋混凝土框架-剪力墙结构沉降变形的影响规律.     

黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析

基于黄土地层，采用邓肯-张非线性弹性本构模型，考虑盾构隧道开挖过程对周边建筑物的影响，建立了盾构隧道衬砌与土体相互作用的有限元计算模型．对黄土地层中盾构隧道外径和埋深及其与邻近建筑物的距离对地表及相邻建筑物沉降的影响规律进行了数值分析，结果表明：在相同盾构外径下，地面沉降随隧道埋深的增加几乎呈线性减小趋势；在相同隧道埋深下，地面沉降随盾构外径的增加几乎呈线性增大趋势；无论盾构外径如何，隧道顸部及相邻建筑物处的地表沉降值均随隧道和建筑物水平距离与盾构外径比的增大而减小，也随隧道埋深的增大而减小．文中给出了受沉降影响较大的范围，可为地下工程施工时对周边建筑物及地基采取加固措施提供理论依据，并为西部地区的地下工程建设提供参考．     

盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征,依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程,采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析,同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试,分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响.研究结果表明:临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化.管片衬砌结构内力受施工参数影响明显,尤其是千斤顶推力和注浆压力.     

地铁盾构掘进对地表及建筑物沉降的影响研究——以深圳地铁16号线为例

研究盾构掘进对周边地表及建筑物沉降造成的影响，是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基本要求.以深圳地铁16号线龙东村站—龙南站盾构区间粉质黏土层为背景，建立数值模型进行模拟计算，并与实测结果进行对比验证，研究盾构掘进对地表及建筑物沉降的影响.结果表明，右线开挖完，地表最大沉降值位于右线隧道中心线处，左线开挖完，地表最大沉降值也位于右线隧道中心线处；单线盾构掘进引起的地表横向沉降曲线均是单峰形态，双线盾构掘进引起的地表横向沉降曲线往往会呈现出双峰或多峰等形态；右线盾构开挖时，建筑物监测点沉降随盾构掘进过程呈现整体下降的趋势，左线盾构到达建筑物监测点时，建筑物监测点逐渐开始隆起，在左线盾构通过后，建筑物监测点沉降值逐渐趋于稳定.     

地铁盾构穿越建筑物施工工序的探讨

地铁使用盾构法进行施工时,不仅要保证隧道本身的安全性,更要确保地面建筑群的稳定性,其中后者尤为重要。而地铁双向双洞的开挖工序对地表建筑物有着较为重要的影响,结合武汉市某轨道交通工程实例,使用有限元模拟的方法,分别从开挖后总位移,塑性区分布等方面综合分析,从而对地铁盾构穿越建筑物施工工序提出建议。     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。     

西安地铁盾构下穿高铁路基沉降及变形分析

为研究盾构下穿高铁路基时道床、路基响应规律,依托西安地铁一号线下穿郑西高铁实际工程,基于沉降理论估算了双线隧道施工引起上方路基沉降量,建立了区间隧道下穿既有高铁路基数值模型,分析了不同桩底与隧道净距下道床、路基、CFG桩竖向沉降与CFG桩受力响应规律。结果表明：CFG桩轴力、道床、路基竖向沉降变形随桩底与隧道净距逐渐增大而增大,施工至隧道正上方时达到最大,平行于掘进方向随与隧道水平距离增加,沉降逐渐减小,沿盾构施工方向沉降逐渐增大,道床与路基结构产生倾斜但垂直倾斜高度均不超过2mm；CFG群桩基础最大轴力集中两侧单桩,而隧道正上方范围内CFG所受轴力较小,在h=3.235m与5m工况下,CFG桩所受轴力值达到最小、最大,褥垫层以内的CFG桩未出现受压破坏。     

盾构近距穿越桥梁施工对地表及桥梁桩基的影响

结合某地铁区间隧道盾构施工近距穿越桥梁桩基的复杂条件,选取桥台与桥墩基础影响最大断面,对盾构施工引起地表沉降及桥梁桩基的变形、应力及内力进行三维数值模拟计算。结果表明:①双线隧道盾构推进引起地表最大沉降位于双线隧道中间某处,大于单线隧道引起的地表最大沉降,地表沉降随着两条隧道间距的减小而增加;②右线隧道盾构施工引起B0C0桥台桩基近隧道边桩产生的最大变形与内力均发生在距桩顶13 m处,最大横向挠曲变形、纵向挠曲变形分别为2. 0、4. 8 cm,边桩内力致使桥台桩基超出承载能力,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,严重影响桩基的安全;③双线隧道盾构施工引起B7C7桥墩桩基近隧道边桩桩顶处产生最大位移,最大横向水平位移、纵向水平位移分别为2. 6、5. 2 cm,右侧桥墩桩基承台产生的最大横向水平位移、竖向位移、纵向水平位移分别为3. 2、3. 4、4. 6 cm,承台发生倾向隧道一侧的倾斜和水平面内扭转,倾斜值为0. 001 8,接近规范规定的允许值,盾构施工时须引起注意。基于上述分析结果,提出盾构近距推进时的施工监测及施工参数调整的建议。     

富水黏土地层盾构隧道开挖面稳定性

富水黏土地层盾构隧道施工过程中,确定合理的开挖面支护力对于安全掘进至关重要。针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性展开了研究。通过数值模拟研究,分析了直径D、埋深比C/D与内聚力c对极限支护力的影响规律;推导已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式并分析其功率构成,结合黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,对极限分析法获得的极限支护力进行了修正。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对常州地铁工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,结果表明,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷。研究结论为富水黏土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

双线盾构隧道斜交下穿对高速公路的影响

为研究盾构隧道斜交下穿施工对既有高速公路工程的影响,以某城市轨道交通盾构下穿工程为背景,采用FLAC3D进行盾构施工三维数值模拟,分析了双线盾构施工对公路路面、路堑边坡的影响规律,评价了施工方案的安全性。结果表明：盾构斜交下穿时,路面沉降呈现三维非对称特征,在公路横断面方向,沉降曲线呈现左低右高的线性规律,在公路纵断面方向,沉降曲线呈现左高右低的不对称“V”形,且横断面方向沉降总是大于纵向沉降;边坡竖向位移大于水平位移,以沉降变形为主,开挖面距边坡坡脚水平距离约为2倍洞径时,边坡位移显著增加,该区段为施工强影响区;双线盾构贯通后,路面最大沉降值为3.15mm,纵向沉降变化率为0.0094% ,边坡最大水平位移为1.2mm,三者均小于变形控制标准,公路路基、边坡无塑性区出现,处于弹性状态,盾构下穿施工对既有高速公路影响较小。研究结果可为类似盾构下穿工程提供参考。     

浅埋暗挖隧道引起建筑物沉降的预测方法

在考虑建筑物刚度的情况下,得到浅埋暗挖隧道引起建筑物沉降的预测方法,通过利用弹性地基梁原理,将经验公式法计算得到的浅埋暗挖隧道地表沉降值转换成沉降反力,再利用MIDAS-GEN软件计算沉降反力引起的建筑物沉降。利用工程实例验证该方法的可靠性,分析隧道与建筑物相对位置、基床系数、建筑物刚度以及土体损失率的影响规律。结果表明:该方法的计算结果与实测值比较吻合;建筑物沉降曲线的斜率随建筑物与隧道之间距离的增大而增大;建筑物沉降值随k的增大而减小;随建筑物刚度的增大,沉降曲线趋于直线变化,建筑物沉降差变小;随着土体损失率的增大,沉降曲线的斜率越来越大。可见该方法具有一定的可行性。     

小曲率半径隧道盾构施工的地表沉降规律分析——以南昌地铁1号线为例

为探究小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的变化规律，利用Mindlin解建立小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的解析计算模型，以南昌地铁1号线盾构隧道工程为依托，通过与现场监测和已有Mindlin解析计算模型的对比分析，验证本文所建立沉降预测模型的合理性，并依次从盾构附加推力、盾壳不均匀摩擦力和地层损失对地面变形的影响进行分析。研究结果表明：本文所建立的小曲率半径隧道盾构施工引起的地表沉降解析计算模型可有效应用于实际隧道工程的沉降预测，提高了预测精度；盾构开挖过程中，横断面地表沉降槽呈“V”型，近似正态分布，施工产生的地层损失对地面沉降的影响更大；随着盾构路径两侧推力及摩擦力分布不均程度的增加,地面沉降槽中心偏移情况而增大，地面沉降与地层损失呈非线性相关。研究成果可为类似拟建和在建盾构隧道工程提供理论指导与参考。     

盾构施工对已有建筑物基础沉降的影响分析

以郑州市盾构施工区实际土质情况为背景,采用数值仿真分析软件FLAC 3D,就盾构隧道对邻近已有建筑的影响进行数值模拟分析,从而讨论隧道与建筑物间距及埋深等因素对基础差异沉降的影响.计算结果表明,当隧道近距离穿过筏基下的土层时,隧道中心偏离筏基下中心线越远,不均匀沉降差越大,但超过一定范围,又逐渐减小.同时,考虑沉降量和整体倾斜两个特征变形允许值给出了可以忽略盾构施工对建筑物沉降影响的隧道位置范围.