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。     

改进GAP法盾构隧道开挖地表沉降预测

针对盾构隧道开挖引起的地表沉降问题,基于GAP法模型的基本原理,通过对该模型的改进,借助FLAC2D进行数值分析,对盾构隧道的地表沉降规律进行了研究.得出了同一盾构直径随着隧道埋深增加的情况下,地表最大沉降值逐渐减小、地表沉降槽逐渐变宽的规律,且隧道埋深和地表最大沉降值存在某种线性关系.该成果对盾构隧道开挖引起的地表沉降分析具有一定的参考价值和指导意义.     

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。     

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.     

不同埋深下盾构隧道开挖及补偿注浆对地表隆沉变化影响的室内试验

采用二维隧道模型试验,探究砂土中不同埋深下盾构隧道开挖及补偿注浆对地表沉降变化的影响规律.试验表明,对于不同埋深的工况,盾构隧道开挖引起的地表沉降均可以用Peck公式有效预测,埋深C/D对地表沉降槽形状具有显著影响,且沉降最大值与土体损失率基本呈线性关系.正常体积范围补偿注浆时,随着埋深增加,地表最大抬升值不断减小,地表抬升范围逐渐增加.当补偿注浆体积达到某一值后,不同埋深工况地表最大抬升值与土体补偿率基本均呈线性关系.超体积补偿注浆时,超体积补偿注浆引起的地表最大抬升值与土体补偿率继续保持线性关系.随着土体补偿率的提升,不同埋深导致的地表抬升范围差异逐渐减小.     

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．     

交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟

以正在建设中的上海市轨道交通明珠线二期工程上、下行线近距离交叠区间隧道盾构施工为研究对象，按“先下后上”的盾构推进过程，采用三维弹塑性有限元法SNSYS程序软件模拟了交叠隧道土层位移以及地表沉降曲面在盾构推进中的发展变化，得出了地面最大沉降量在上行隧道推进后将出现大幅度增长，且在推进前期沉降增幅最为显著的结论。给出了隧道周围土体塑性区的大小与分布，论证了要将地面沉降控制在允许范围内，必须在上、下行隧道施工中进行预注浆加固，以重点控制盾构推进前期的地层沉降量。最后，探讨了盾构刀盘推进力、一次推进步长、隧道埋深及地表硬壳层等多种影响因素对地面沉降的贡献。     

城市地铁隧道对结构物上部桩基的影响

通过三维弹塑性有限元模型的建立,探讨软土地区盾构隧道开挖对地表沉降及上部桩基工作性状的影响规律。结果表明：地表沉降随盾构隧道开挖深度的增大而减小,而发生地表沉降范围增大;当桩体位于隧道拱顶正上方时,桩端与隧道拱顶间的最小安全距离为0.5d(d为隧道直径);盾构隧道开挖在其侧上方引起的影响区为距离隧道中心线1d的范围。     

双圆盾构(DOT)隧道的地表沉降分析

分析了双圆盾构隧道的特点以及地表沉降的影响因素和不同计算方法.测试分析表明:双圆盾构隧道与圆形盾构隧道相比,双圆盾构隧道具有占用地下空间小、隧道断面形式多样化、切削面平衡操作简单、掘削土量少等优点;而隧道几何形状和埋深,土体性质的施工扰动,隧道衬砌的变形,盾构推进的平衡压力、姿态,同步注浆等是影响地表沉降的主要因素;最后得出双圆盾构隧道地表沉降与圆形盾构隧道具有相同的机理,但沉降值较大;双圆盾构隧道地表沉降槽的形态可以用正态函数表示,但最大沉降并不一定产生在隧道中心点.     

盾构掘进法开挖隧道对地表沉降影响的预估

盾构掘进法开挖隧道引起的地表沉降对地面建筑物影响在地下工程施工中越来越受到人们的关注,而这个问题的关键是要对地表沉降进行预估.总结了国内外对盾构掘进法开挖隧道引起地表沉降进行预估的常用计算方法,如Peck横向沉降槽经验公式及修正公式、数值分析法、模型试验法和智能决策理论方法.最后就目前国内外盾构掘进法施工隧道对地表沉降影响研究中存在的问题进行了探讨,并提出了一些实质性的建议.     

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.     

盾构长距离下穿铁路股道引起的地表沉降分析

以天津津滨轻轨天津站至七经路站的盾构施工区间工程为对象,对多条铁路轨道下,盾构长距离推进过程中引起的地表变形进行了三维有限元数值模拟,根据模拟结果分析了盾构施工导致沿盾构方向和垂直于盾构方向的地表沉降量,总结了盾构施工各阶段发生的地表沉降变化规律;研究了盾构掘进对地表的扰动范围;模拟和分析了不同工况下盾构施工引起的地表沉降差异.结果表明,数值计算的地表最大沉降量在18~20 mm,与其监测值较吻合,注浆量对地表沉降的影响比注浆压力和土舱压力显著.
     

硬岩地区盾构掘进地表竖向位移监测数据及数值模拟分析

结合杭州市某盾构掘进实际工程的地表竖向位移监测数据,总结了硬岩地区盾构掘进对周边环境的影响规律,并通过建立合适的数值模型分析了相关掘进参数对盾构掘进的影响,同时分析了不同区域浆体缺失对地表竖向位移的影响。研究结果表明：因边界条件不同、岩土不均匀性、注浆参数控制不当,硬岩地区盾构掘进仍能引起较大的地表沉降;某环掘进方向前后方浆体缺失均会对该环处地表沉降造成一定影响;后方浆体缺失时,临近4环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近4环造成影响的10%;前方浆体缺失时,临近9环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近9环造成影响的10%;某环掘进方向前方浆体缺失对该环处地表沉降的影响更大,约为后方浆体缺失影响的1.16倍。得到的结论可为类似工程提供参考借鉴。     

基于神经模糊推理系统的盾构施工地表沉降预测

盾构隧道施工引起的地表沉降,主要受盾构掘进参数和地层条件的影响,且各参数间关系复杂.已有地表沉降预测方法大都没有直接考虑掘进参数的影响,难以满足盾构快速施工超前预测预报和环境影响控制的需求.自适应神经模糊推理系统(ANFIS)是一种基于神经网络的模糊类智能模型,通过减法聚类数据细分技术自动生成模糊规则,使网络的节点和权值具有明确的物理意义,集成了神经网络数据自适应能力和模糊系统知识表达性能,特别适合于多元非线性系统的预测预报.结合北京地铁14号线东风北桥站至京顺路站区段工程实测数据,选取埋深、洞顶覆土标贯值、土仓压力、推进速度、刀盘转速、扭矩、盾构推力,以及同步注浆量为输入变量,建立了地表最大沉降量预测模型.计算结果表明,该模型计算量小,泛化能力强,计算精度高.研究成果为盾构施工地表沉降预测预报提供了新的技术方案.     

盾构隧道施工引起的地层位移对既有桥梁桩基的影响分析

盾构法已成为我国城市地铁施工中一种重要的施工方法,由施工引起的地面沉降对其周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常重要的问题。本文根据某地铁盾构隧道穿越桥桩工程,应用三维有限差分软件FLAC-3D进行了数值模拟,并对计算结果和实测结果进行了对比和分析,研究了隧道开挖中产生的位移对既有桥桩的影响,得出桩基变形的规律,并提出相应的工程建议。     

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。     

基于ABC-BP神经网络的地铁盾构地表沉降预测

为研究地层参数和盾构掘进参数与地表沉降的非线性关联性,依托南京地铁6号线盾构区间,采用人工蜂群算法ABC优化BP神经网络,建立可预测地表沉降的ABC-BP神经网络模型。连续3个断面地表沉降预测结果表明:ABC-BP神经网络的预测精度和预测稳定性优于BP神经网络,且预测值与实测值一致；ABC-BP神经网络可较为准确地反映盾构机接近监测断面过程中的地表变形演变规律,最终实现地表变形控制的目的。提出了ABC-BP神经网络现场应用思路,构建了地层-掘进参数-沉降的关系,进而通过地层参数直接实现对盾构掘进参数和地表变形控制。     

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。     

天津地铁盾构施工对邻近工程设施影响的动态模拟

为研究盾构掘进施工对周围土体及邻近工程设施的影响，在现场实测天津地铁1号线盾构试验段数据的基础上，采用有限元程序ABAQUS对盾构掘进过程进行了动态模拟，计算结果与实测值吻合良好，进一步分析了盾构掘进对邻近建筑物、地下管线和桩基础等工程设施带来的影响，得到了沉降槽曲线与影响临近工程设施的具体数值，计算结果表明，工程设施离隧道越近，受到盾构掘进的影响越大，当距离3倍洞径以外时影响已经很小，距离大于4倍洞径时，影响可以忽略不计。