硬岩地层地铁暗挖车站施工过程力学分析

地铁暗挖车站因其埋深浅、开挖尺寸大,隧道围岩应力演化剧烈且复杂,塌方事故风险大,隧道支护设计面临极大挑战。为精细化模拟地铁暗挖车站分部开挖及初期支护全过程,以青岛地铁6号线海港路站为对象,建立三维数值模型,结合现场监测数据,研究硬岩地层暗挖大跨隧道施工过程力学特征。结果表明：拱部上导洞开挖造成围岩强度储备显著降低,引起拱顶及地表沉降量占最终值的54%和56%,左、右导洞开挖对应的拱顶围岩应力变化较小,引起拱顶沉降分别占最终值的30%和13%,直墙部等后续施工影响更小,从总体过程来看上导洞开挖对隧道沉降控制最为关键。全部贯通后,拱顶围岩强度储备值（K=3.1）高于其他部位,边墙围岩强度储备值（K=1.1）接近极限状态,从隧道各部位围岩强度储备角度上看,边墙最为关键需支护。总体上,地铁暗挖车站虽跨度大、埋深浅,但由于硬岩地层围岩强度高而几乎没有产生塑性区,锚喷格栅初期支护即可使隧道达到较高的稳定状态。     

地铁车站多工法施工的地层变形研究

以重庆交通轨道环线冉家坝地铁车站为工程依托,采用现场监控量测方法研究了双侧壁导坑法开挖、侧洞法开挖及明挖法施工下的地层变形规律。结果表明:3种工法下明挖法引起的地表沉降变形最小,双侧壁导坑法开挖次之,侧洞法引起的沉降变形最大;2种暗挖施工下初次开挖扰动引起的地层变形最大,占总沉降量的50%以上。分析隧道拱顶变形发现,变形过程可分为左导洞开挖后的快速沉降阶段、左右导洞开挖及时支护后的过渡变形阶段和临时支撑拆除后稳定变形阶段,且2种暗挖工法下的拱顶变形曲线均可由指数函数拟合。     

大跨硬岩地铁车站拱盖法开挖力学机制及适用性分析

为研究地铁大跨暗挖车站拱盖法开挖过程中的围岩受力及变形特征,开展了硬岩大跨度地铁车站开挖的大比尺三维室内模型试验,真实再现了车站全断面无支护开挖、全断面支护开挖及拱盖法开挖的全过程,分析不同施工工况下车站围岩受力、变形机制及其稳定性.研究结果表明:(1)相比于全断面支护开挖,拱盖法可有效控制围岩沉降及收敛变形,减少20%～35%,开挖引起的围岩扰动深度约为半个跨度范围;(2)车站采用拱盖法施工,随开挖的持续推进,围岩变形大体经历3个阶段,即缓慢变形、急速变形及稳定变形阶段.相比于全断面开挖,拱盖法可有效保证车站开挖的稳定性及安全性;(3)拱盖法施工中,中导洞的开挖是车站拱顶变形急剧变化阶段,而支护的及时施作可有效抑制开挖引起的扰动范围,减弱掌子面前方应力的集聚程度,有利于掌子面及其附近围岩的整体稳定.     

中洞法连拱隧道施工稳定性分析及优化

针对中洞法连拱隧道暗挖施工的稳定性问题,依托广州大道中站工程实例,综合分析了开挖过程拱顶沉降、底部变形、洞周收敛、初支结构应力、中隔墙应力以及地表沉降等指标的动态响应特征,总结了不同工艺参数下隧道变形规律,结果表明：拱顶沉降最大值和最大沉降速率以及底部隆起最大值均在后行洞,而先行洞洞周收敛值最大,为1.59 mm;侧洞靠近中洞上台阶支护结构受拉而远离中洞上台阶受压;中隔墙中部主要承受压应力,而顶纵梁和底纵梁则同时承受拉应力和压应力;地表沉降最大值位于隧道中心,为7.20 mm,隧道施工影响区域半径约为25 m;隧道稳定性随中洞上下台阶错距及侧洞相邻台阶错距的增大而减弱,随侧洞拉开距离增大而增强。     

富水砂-黏复合地层大断面暗挖隧道施工力学行为

富水砂－黏复合地层暗挖施工极易诱发地表及支护结构变形过大等复杂问题。以北京地铁17号线某CRD法施工隧道工程为依托,对施工过程中的地表沉降、孔隙水压力、围岩压力、初支内力等进行现场监测后,得到了各监测对象的变化规律和总体分布。研究结果表明：新建隧道暗挖施工引起的地表沉降值较大,拱顶沉降与导洞收敛变形速率与变形量虽符合设计要求,但稳定值接近限值,富余量小;稳定后的孔隙水压力值较小,约为5 kPa,与地勘水头高度基本一致;由于先行标准线开挖的影响,新建隧道围岩压力呈现左右不对称分布的现象,围岩压力沿洞周呈拱底→拱腰→拱脚→拱顶→拱肩依次减小的分布规律;稳定后的钢筋应力沿洞周分布形式与围岩压力基本一致,其最大值出现在左侧拱腰处。基于上述研究,本研究成果可为同类型富水砂-黏复合地层的暗挖隧道设计和施工提供一定的借鉴。     

浅埋暗挖隧道施工中纵向地表下沉的规律

在浅埋暗挖隧道施工中,地表沉降和拱顶下沉的信息可明显反馈围岩和初期支护的稳定状态,要实现信息化施工和控制施工中产生不利环境影响,必须了解和掌握地表沉降和拱顶下沉的变化趋势.基于南京地铁2号线钟灵街马群段浅埋暗挖隧道矿山法施工中地表沉降和拱顶下沉的实测资料,分析总结了相应条件下隧道施工中地表和拱顶下沉的大小和分布规律,得出浅埋暗挖隧道沿纵向开挖时对工作面前后的主要影响范围,分别为1.5D和3D(D为隧道跨度),变化趋势为缓慢下沉快速下沉收敛稳定;并根据滞后的拱顶下沉与地表下沉趋势的一致性,提出可以通过施工中纵向地表沉降的规律预测拱顶下沉的发展趋势.     

紧邻建筑物浅埋暗挖车站的施工技术

结合沈阳地铁中街站实际工程,对浅埋暗挖施工中横通道及导洞开挖、大跨度初支扣拱关键技术进行了研究,提出了系列建筑物和管线安全保护措施。对施工过程中地表沉降、拱顶下沉、管线沉降及建筑物沉降等指标进行了监控量测。对监测结果的分析表明,采用系列沉降控制措施后,该浅埋暗挖车站施工过程中各沉降值均控制在了预警值范围内,周边建筑物及管线均处于安全状态。     

PBA车站导洞双向开挖方案比选

目的研究采用PBA工法暗挖地铁车站时最优的导洞双向开挖方案.方法通过数值模拟的手段,模拟了横通道内小导洞双向开挖的过程,对比研究不同的导洞间开挖错距和不同的导洞开挖顺序对横通道处地表沉降的影响.结果随着开挖错距的增加,地表的最大沉降值在增加,而反弯点距离在逐渐减少,折中考虑15 m是最为合理的导洞开挖错距;横通道内导洞开挖如果存在紧随相邻且相对导洞的情况,会使得横通道处地表沉降值增加,而边导洞支护体系形成越早,会使得反弯点距离减小.结论在多种开挖顺序中,方案(2,4)-(5,7)-(1,3)-(6,8)引起的地表沉降值最小,反弯点距离较小,开挖顺序合理,有利于组织施工,且每一步开挖引起的地表沉降均匀,是最为合理的开挖顺序.     

开挖顺序对PBA地铁车站竖向土压力分布影响

以北京地铁六号线PBA工法东四站为工程背景,分析了开挖顺序对小导洞和车站拱顶的竖向土压力分布的影响.结果表明:边导洞外侧拱脚竖向土压力约为内侧拱脚处的1.27倍,拱顶存在明显偏压现象,上下层边导洞外拱脚处竖向土压力分别约为土体自重应力1.1倍和1.2倍.中导洞竖向土压力受同层导洞开挖顺序影响,后施工的导洞其竖向土压力更大.拱顶竖向土压力主要受扣拱顺序影响,采用“先边后中”施工方案时,拱顶竖向土压力波动范围较大,边跨跨中竖向土压力最小约为自重应力0.77倍,拱与导洞相接部位竖向土压力最大约为自重应力1.05倍.     

暗挖车站洞内地下连续墙施工地层效应分析

地下水资源对经济社会的可持续发展具有十分重要的作用。为了顺应国家对水资源的保护政策，北京地铁16号线在施暗挖车站—看丹站首次尝试以导洞内地下连续墙替换传统边桩施工的方式，以期达到承载和止水的双重目的。虽然施作的试验段取得了较好的效果，但北京地区地层复杂，局促低矮空间内的洞内地连墙施工能否大范围顺利推广实施仍存在争议。本文以北京地铁16号线看丹站、首都机场西沿线北新桥站和北京地铁7号线广渠门外站为代表，采用Midas软件对边导洞内地下连续墙施工过程进行数值模拟，揭示北京地区砂卵石、粉质粘土和砂卵石-粉质粘土互层三种典型地层条件下洞内地下连续墙施工诱发的环境响应。结果表明：1）在其他条件相同的情况下，砂卵石地层中地下连续墙施工引起的地表沉降值最小，粉质粘土地层地下连续墙施工引起的地表沉降值最大。2）洞内地下连续墙施工引起导洞拱顶沉降值大小排序为：砂卵石地层<砂卵石-粉质粘土互层地层<粉质粘土地层。3）相比于砂卵石-粉质粘土互层地层及粉质粘土地层，砂卵石地层条件下，洞内地下连续墙施工引起的围岩塑性应变值及应变范围最小，对周围土体扰动较小。     

水对灰质泥岩隧道围岩稳定性影响研究

在灰质泥岩隧道施工过程中,水会导致围岩岩石的物理化学性质发生变化,进而对隧道围岩的稳定性有着重要的影响。基于金盆弯隧道现场的监控量测数据,通过分析雨季和非雨季时相同埋深、相同地质情况下隧道段面的围岩与初期支护之间的压力、初期支护钢支撑的应力及隧道拱顶沉降结果,确定了水作用下,围岩与初期支护之间应力随时间的变化情况、初期支护内力随时间的变化情况以及拱顶沉降随着时间的变化情况。并通过有限元数值模拟软件ABAQUS,模拟隧道开挖后,在有水和无水环境下围岩横向和竖向位移的变化,得到:水的存在导致隧道围岩的拱顶沉降增大,拱腰及边墙收敛增大,进而分析水对围岩的稳定性的影响。通过对比分析拱顶沉降的数值模拟结果与现场监控量测结果,可以看出两者的沉降变化规律相吻合,验证了模型的合理性,从而进一步更改完善施工、设计方案,来保证隧道的安全施工,同时也为今后研究水对围岩岩石性质及围岩稳定性影响的机制提供了参考。     

地铁风道近接下穿既有地铁车站引起的结构变形

为保证北京某新建地铁风道工程近接施工安全,借助FLAC3D软件对该风道CRD工法的施工过程进行动态数值模拟。计算模型为地层结构模型,土体材料模型采用摩尔-库仑准则。结果表明:既有地铁车站最大沉降量为2.54 mm,发生在该车站东南出入口及风道结构转接的位置,车站与出入口的连接处最大沉降量为0.63 mm。靠近新建地铁风道开挖一侧的既有车站出入口侧墙最大水平位移为0.49 mm,车站与出入口连接处的纵向最大水平位移为0.28 mm。新建地铁风道工程对既有地铁车站整体结构变形影响较小,既有车站最大沉降量及轨道最大差异沉降值均在安全范围内。该研究为地铁工程的设计与施工提供了有益参考。     

富水软弱破碎带大断面隧道施工渗流影响及控制效果分析

依托某大断面隧道工程为背景，通过数值模拟并结合现场实测方法研究了隧道不同埋深条件下拱顶沉降、水平收敛、整体围岩应力和塑性区分布规律，并在此基础上，又对隧道在富水条件下的孔隙水压力进行了探讨。结果表明:拱顶沉降、水平收敛位移与水位高度呈正相关，埋深对水平位移影响较小，但影响范围增大；且随着隧道埋深的增加，拱顶沉降和水平收敛位移将在与破碎带间隔10m左右开始呈“瀑布式”增长；围岩应力随埋深和水位高度呈线性增长，其最大值集中在在拱腰处，最大达到1.34MPa，增长速率受水位高度影响更大；塑性区主要分布在隧道两侧，但随着埋深增加，拱顶也出现少量塑性区，这对拱顶的稳定是十分有利的；隧道周围孔隙水压力与埋深和地下水位高度呈正相关。该项研究可为提升大断面隧道穿越断层破碎带施工提供有益的借鉴和参考。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。     

高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

采空区大跨连拱隧道围岩稳定分析及其加固

为了深入研究复杂地质条件下大跨度双连拱隧道围岩稳定性及施工关键技术,以沪昆高速公路灯草塘隧道为依托工程,基于有限差分软件,建立灯草塘隧道实际地质模型,重点进行双向六车道连拱隧道邻近采煤空洞时的围岩稳定数值计算,结果表明:靠近空洞一侧的主洞水平位移及拱顶沉降均大于另一侧的,隧道底板隆起位移也存在同样的规律;空洞与隧道之间围岩最大主应力大部分为拉应力,靠近空洞侧隧洞围岩最大主应力与另一侧相比较差异明显,且空洞与隧道之间塑性区范围较大。另外,基于数值分析结果,结合隧道实际空洞情况,研究了Ⅵ级围岩条件下隧道附近采煤空洞的处置及围岩的加固技术。     

道吾山三车道特长公路隧道洞口浅埋段施工方法

在建的道吾山隧道为单洞三车道特长一级公路隧道,洞口Ⅴ级围岩浅埋段开挖跨径16.85 m,开挖面积163.55 m~2,原设计采用双侧壁导坑法施工,变更后采用三台阶七部法施工。通过三维数值模拟分析,以及施工过程中对隧道拱顶下沉、净空收敛,初期支护结构受力状况进行分析,判断围岩稳定性、初期支护结构安全。数值计算结果表明:三台阶七部法施工运用在三车道隧道Ⅴ级洞口浅埋段是安全的。研究结果可为类似工程设计和施工提供依据和参考。