黄土盾构下穿不同地下非连续管线的模型试验

针对城市盾构隧道施工下穿既有输气管线引起管线沉降与受力问题,以河南省某在建高速公路为工程背景,进行室内模型试验和有限元数值模拟.考虑不同非连续管线接头间距、接头刚度和管隧间距的影响,探讨管隧正交工况下,隧道开挖对非连续管线沉降、弯矩及管土接触应力的影响.研究结果表明：黄土盾构正交下穿管线存在沉降集中区,在该区范围内,管线接头与管段相对刚度比的大小对管线平均沉降增长速率影响较大,相对刚度比由1.30减小至0.21,非连续管线平均沉降增长速率增大1.5倍;相对刚度比相对大小对非连续管线沉降和弯矩起到决定性作用;通过定义非连续管线综合刚度比,揭示不同综合刚度比下非连续管线最大沉降变化规律和管线最大正负弯矩相对变化规律,其中综合刚度比与管线最大沉降服从3次多项式拟合函数,管线的最大正弯矩值随着最大负弯矩值的改变服从4次多项式拟合函数;管线的管土接触应力变化均呈现“双峰型”变化,管土接触峰值应力随着接头间距的增大而增大;数值模拟表明,管线最大沉降随着管隧间距增大而呈现折线型减小,该转折点出现在管隧间距与隧道开挖直径比为1处.     

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。     

顶管电缆隧道施工对邻近建筑物和地下管线的扰动影响

采用离心机物理模型试验和有限元数值计算方法探究了软土地区顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响,并提出修正Peck公式评估顶管施工对邻近浅基础建筑物的扰动影响.首先,通过离心机物理模型试验,定性分析了顶管电缆隧道施工过程中地层损失率变化对邻近浅基础建筑物和地下管线的影响;其次,将有限元数值计算结果与离心机试验数据进行对比分析,验证有限元计算的有效性;最后,通过有限元模拟结果提出用于评估顶管施工对邻近浅基础建筑物扰动影响的修正Peck公式,并与现场监测数据进行对比分析.研究结果表明:顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响随着地层损失率的增大而增大,地下管线刚度的增加可以有效减小邻近顶管隧道施工的影响;有限元数值方法可以较好地评估不同地层损失率下顶管隧道的施工工况;修正Peck公式能较好地反映在软黏土区域内顶管电缆隧道开挖对周围地层产生的扰动影响.研究结果可为软黏土地区顶管电缆隧道的施工提供一定参考价值.     

近间距重叠隧道施工对桥桩变形影响研究

以武汉4、6号线某区间在建地铁为背景,运用FLAC2D数值模拟方法,研究了平面应变条件下近间距重叠隧道施工在不同地层损失率、不同开挖顺序下对铁路桥群桩基础的变形影响.数值模拟结果表明,地层损失率为0.2～1.5%时,盾构隧道开挖引起的铁路桥群桩基础变形满足安全要求;当地层损失率大于1.5%时,为有效控制邻近群桩基础变形,应采取相关方案,预先加固隧道周边土体不失为一种方法.     

盾构开挖引起邻近桩基水平位移的简化计算方法

基于盾构开挖侧穿邻近桩基引起桩-土相互作用的实际工况,提出了一种可预测桩基水平变形的简化计算方法. 采用两阶段法获得盾构开挖引起邻近桩基水平位移简化计算方法,第一阶段采用Loganathan公式计算盾构开挖引起邻近桩基轴线处土体自由水平位移场;第二阶段把桩基简化成 Euler-Bernoulli 梁放置在 Vlasov 地基模型上,建立桩基水平位移控制方程,结合桩基两端约束情况,采用差分法获得邻近桩基的水平位移矩阵解. 随后考虑群桩之间的土体遮拦效应,进一步获得邻近群桩的水平变形差分解 . 通过与两个既有工程案例实测以及既有地基模型计算结果对比,验证了本文方法的优越性. 群桩参数分析表明：地层损失率及隧道埋深的增大均会引起邻近群桩水平位移的增大,但桩身产生最大位移处会随着隧道埋深增加而增大;桩隧之间间距的增大会引起邻近群桩水平位移的减小,但其减小速率逐渐变缓.     

旁侧基坑开挖对超大直径盾构隧道变形影响分析

密集城市区近接基坑工程易引发超大直径（>15 m）盾构隧道变形、结构开裂及渗漏水.当前超大直径盾构隧道建设处于起步阶段,基坑影响下隧道变形响应规律不明,合理的影响分区匮乏.本文采用有限元软件建立超大直径隧道旁侧基坑开挖的三维有限元模型,分析超大直径隧道的结构变形响应机制,并探讨隧道埋深、隧道-基坑间距、基坑开挖深度等因素影响规律.结果表明,基坑开挖引发地层朝向基坑的“鼓肚子”水平位移和“勺子”状竖向位移;与小直径隧道相比,超大直径盾构隧道表现出较小的纵向变形和较为显著的横向变形;隧道变形随隧道-旁侧基坑围护结构距离增大而减小、随埋深增大先增大后减小、随基坑开挖深度的增大而增大.通过基坑开挖深度归一化后,隧道最大变形与隧道-基坑间距可用指数函数高精度拟合.提出归一化后的影响分区图,为实际工程超大直径隧道结构保护提供重要的参考.     

带接头地下管线变形的傅里叶级数解

地铁隧道开挖将引起地下管线产生附加变形,造成管线的破坏.将带接头地下管线视为弹性地基梁,引入"相当荷载"改进匀质管线变形的控制微分方程,使之能够考虑接头处的刚度折减.采用傅里叶级数解法求解控制微分方程,得到未知傅里叶级数系数的表达式,进而得到关于管线接头相对转角的线性方程组.假定地层变形符合Peck曲线,将基于傅里叶级数法得到的计算结果与数值模拟方法进行对比,验证了方法的正确性.计算结果表明,在地层位移荷载作用下,管线产生变形,管线接头处产生明显转动.地层沉降对距隧道开挖中线3i(i为沉降槽宽度系数)以外的管线影响较小,该区域内接头相对转角远小于容许值,在计算时可不作考虑,以减少未知量的数目.当某个管线接头位于隧道开挖中心的正上方时,该接头处将产生最大的相对转角,因此在缺少管线接头位置资料的情况下,可假定某个管线接头与隧道开挖中线重合,以得到接头相对转角的保守计算值.     

土岩复合地层中深基坑开挖对邻近管线变形影响分析

为探究土岩复合地层中深基坑开挖对邻近管线变形的影响规律,开展了土岩复合地层中深基坑开挖的现场监测和数值模拟研究.以南京地铁一号线北延工程二桥公园站车站基坑为工程依托,基于现场实测数据进行了管线沉降变形分析,并使用PLAXIS 3D有限元分析软件进行数值模拟,揭示了管线与基坑间距、管线埋深等因素对管线变形的影响规律,并定...     

桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的数值分析

采用数值分析方法,建立桩-隧相互作用的三维有限元模型,通过改变桩-隧相对位置、隧道埋深、水平净距、桩基半径和考虑群桩因素,研究静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响。研究结果表明:桩基侧面施工引起的隧道变形较大,且随着桩身与隧道水平净距增大,变形在传递过程中不断衰减;浅埋隧道受扰动影响较为敏感,产生变形较大;桩基半径增大也会加剧隧道结构的变形;桩基邻近既有地铁隧道施工的影响区可划分为强影响区、一般影响区和弱影响区;群桩中的已存在桩对挤土效应具有阻挡效应。     

浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

通过有限元数值模拟软件模拟了浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究了隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道的最大变形出现在拱顶,但并不在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道的大;随着隧道间距的增大,地表沉降值不断减小,而拱顶下沉累计沉降量先减小后增大;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。     

紧邻浅埋暗挖地铁隧道地下密集管线及土层变形

针对地铁隧道施工影响下紧邻密集管线保护问题,依托南昌地铁实际工程,采用ABAQUS软件建立土体-密集地下管线-隧道暗挖三维有限元模型,结合现场实测数据与数值模拟结果,分析了隧道CRD (cross diaphragm)工法施工时的地层变形规律、地下管线应力特性与地下管线变形规律,并对管线周边土体有无注浆加固时的管线力学特性进行了对比。研究结果表明：(1)隧道开挖引起的管线变形以沉降为主,管土刚度差异对管线变形和应力影响显著。(2)管土刚度差异越小,管线变形趋势与土体变形趋势越接近;管土刚度差异越大,管线对地层变形的抵抗作用也越强会产生较大应力。(3)隧道左右导洞上方管段是危险区域,需重点保护。(4)密集地下管线主要表现为管线材质、管线几何特性、管线与隧道的空间位置关系不同,保护地下管线的核心在于控制地层沉降,地下管线保护关键阶段是隧道掌子面接近管线,此时应确保超前注浆效果和初期支护快速封闭,并加强对管线变形的监测。     

地铁隧道钻爆法施工邻近埋地管线的安全风险管理研究

地铁隧道钻爆法施工对邻近埋地管道的影响与安全控制研究,对地铁隧道快速掘进和管道安全防护具有重要的意义。为研究地铁隧道钻爆法施工过程中邻近埋地管线的安全风险,以经济损失为评价指标,提出了地铁隧道钻爆法施工对邻近埋地管线影响的风险评估方法。首先建立考虑管线剩余强度的安全控制标准,根据模糊数学的有关方法,提出地面沉降控制标准的隶属度函数,并结合管线破坏的经济损失表达式,最终确定地表最大沉降与经济损失期望值之间的关系。最后,对大连地铁隧道沿线某混凝土上水管在钻爆法施工过程中的影响进行了风险分析,从而作为安全措施的指导依据。     

盾构下穿引起上覆管线变形的解析计算方法

盾构下穿易引起周边土体产生自由位移，并进一步对邻近既有管线的受力变形产生较大影响。论文从能量角度出发，采用Rayleigh-Ritz法获得管线变形函数，并基于Pasternak地基模型建立管线在外力作用下的势能方程，采用最小势能原理对管线能量进行变分求解，获得盾构下穿引起上覆既有管线受力变形解析解。与既有文献实际工程监测数据对比，验证了该方法计算结果的合理性；与基于Pasternak和Winkler地基模型差分解进行对比分析，该方法更贴近实测数据。进一步参数研究表明：增大隧道开挖半径、地层损失率会导致管线变形及其弯矩的增大；隧道与管线的夹角的增大会减轻管线变形，但会增大管线弯矩。     

矩形隧道叠落穿越超高压燃气管的安全分析

北京地铁6号线草房-终点区间矩形隧道叠落穿越超高压燃气管线,周边环境复杂,隧道与管线净距仅为1.6 m;根据工期要求必须先施工上面的出入线,后施工下面的正线隧道.为了保证管线及隧道的安全,利用有限元软件对处理效果进行了模拟分析,并分别从方案选取、数值分析、施工工艺、地面加固、洞内支护等方面进行比选,最终确定了区间穿越超高压燃气管采用洞顶深孔注浆+中洞法分步开挖+出入线底板注浆的矿山法方案.从最终监控量测数据表明:本工程采取的设计方案、施工措施合理、经济,隧道及管线变形均未超过安全性要求,结论对城市地铁类似工程的设计和施工具有参考与指导意义.     

穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究

穿越断层的埋地管道在地震等外力作用下会发生屈曲、断裂等破坏,研究走滑断层作用下埋地管道的应变特性,对管道工程的设计和防护等具有重要意义.借助前期设计的场地变形组合试验装置,针对走滑断层的作用特点,模拟穿越此断层的埋地管道受力情况,测得随断层错动管道的应变分布及管道周边土体压力变化,分析管径变化对应变和管周土压力的影响,得出管道变形区域的范围.试验结果表明:断层面附近的管道在断层走滑错动过程中受到轴向拉力或压力的作用,其变形沿断层面与管道交点近似呈中心对称;距离断层较远的管道随土体一起运动,不会产生变形,即管道变形在断层附近的一定区域内;管径越大,受断层运动影响的管道变形区域越小;随断层错动位移量的增大,断层附近管道周围土压力和管道的轴向应变都增大,且随管道直径的增大管周土压力和轴向应变减少.     

煤矿开采影响下浅埋输油管线变形及力学响应特性

针对输油管线穿越采动影响区时的管道变形、选型设计和安全防护等问题,以山东某煤矿3308工作面开采为背景,根据该区域地质条件、管道参数及实测数据,采用数值模拟方法分析了煤矿开采影响下管道的受力变形及区域性特征,研究了管道及土体不同物理力学参数对管道所受应力变化的影响。结果表明：受采动影响的埋地管道变形可分为无变形区段、拉压过渡区段和压缩变形区段,拉压过渡区段存在轴向应力方向变化的拐点;3308工作面开采过程中,管道中点处沉降位移最大,与模拟的管道沿线地表最大下沉值相等,管土间的变形为“管-土协同变形”,管道所受轴向应力由管道两端向中点先增大后减小再增大;不同的管道与土体物理力学参数对管道所受轴向应力的变化有着不同的影响,管线选型时需要综合考虑。研究结果可为采动影响区埋地输油管线的选型设计、施工运营和安全维护提供参考。     

输气管道第三方破坏数值分析及安全评价方法

为保障天然气管道安全运行,减少天然气管道发生第三方破坏泄漏带来的严重危害,提高破损管道的防控力度,通过经典赫兹接触理论,采用有限元仿真软件,建立第三方挖掘机斗齿作用管道的数值模型,研究了不同斗齿冲击角度和冲击深度对管道的损伤程度。结果表明:随着挖掘机斗齿吃入深度增大,管道内外壁面的变形越大,卸载内压后管道凹坑变形更加明显。基于输气管道残余应力研究分析,考虑凹坑深度及应力综合评价,对破损管道进行了系统分析。结论以管道应变的6%为临界值,管道外表面凹坑深度的最大值为参考,给出破损管道更换的评价标准。最后,对某管段施工过程中挖掘机斗齿的影响进行了风险评价分析,为实际现场输气管道第三方破坏的风险防控预案提供科学依据。     

横向滑坡作用下埋地管道静力学与数值模拟对比分析

长距离输油管道周围环境复杂,灾害频发,其中滑坡地质灾害对埋地管道的长期安全运行构成了极大威胁.因此,研究滑坡作用下埋地管道的力学特性就极为重要.基于Winkler弹性地基梁模型和滑坡推力横向分布模型,考虑温差、内压及推力等因素引起的当量轴力的作用,建立横向滑坡作用下埋地管道受力变形的简化力学模型,根据对称条件、边界条件及滑坡体内管道与滑坡体外管道的变形协调性条件,求解管道变形的弯曲微分方程,推导得到管道挠度、转角、弯矩以及剪力的计算表达式.采用该算法对工程案例进行安全性评价,并基于ABAQUS软件对管道受力进行数值模拟研究,两者分析方法结果基本一致.结果均表明:在横向滑坡作用下,滑坡边界处的管道应力最大,最易发生破坏,滑坡体中部的管道变形最大.     

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。