地面堆载作用下盾构隧道结构变形分析

影响地铁盾构隧道结构安全的因素有很多,诸如周边基坑工程施工、土体不均匀性、流塑性软土空间分布状态、地面堆载等,其中以地面堆载诱发的隧道安全事故屡见不鲜。因此,探究地面堆载对隧道结构变形的影响规律,对规避安全隐患具有重要意义。以苏州地铁某线某区间盾构隧道为工程实例,利用ABAQUS数值分析软件,采用地层结构法建立隧道三维模型,系统地分析了不同堆载位置下盾构隧道的变形规律。结果表明：地面堆载作用下,隧道变形沿隧道走向呈对称分布,隧道结构变形量随堆载大小的增加逐渐增大,随堆载偏离隧道外边线距离的增加而逐渐减小;当堆载的偏移距离为三倍隧道直径时,隧道竖向位移发生由下向上的方向转变,水平位移发生由右向左的方向转变;隧道正上方的地面堆载导致隧道变形过大,影响隧道安全使用,偏压堆载下隧道变形显著减小,其变形量满足规范要求,隧道处于安全状态。     

地面堆载对盾构隧道变形影响的有限元分析

城市施工过程中盾构隧道附近地面出现土方堆载会对隧道管片产生不利影响,情况严重时可能会导致隧道管片开裂。本文以三维数值计算的方法,分析了既有盾构隧道在附近地面堆载情况下堆载位置与隧道埋深对盾构隧道管片变形的影响,得出既有盾构隧道受不同影响因素作用下的变形规律,分析结果可以对保护既有盾构隧道提供参考依据。     

地面堆载诱发下盾构管片变形分析

本文依托苏州地铁S1线某区间盾构隧道,针对后期沿线可能出现的堆载问题,采用地层-结构法建立精细化三维数值分析模型,系统地探究了堆载条件下,隧道上覆、穿越和下卧软土地层对盾构管片变形的影响规律。结果表明：在地面堆载作用下,上覆荷载经过土层扩散,使管片变形沿纵向呈“正态分布”,竖向变形最大处位于堆载位置正下方的拱顶处;隧道最大水平位移发生在荷载作用位置正下方管片的左右拱腰处,并且左右拱腰同时产生向外的水平位移;当堆载中心在隧道正上方时,隧道下卧软土层时隧道变形量最大,其次是隧道穿越软土层时,隧道上覆软土层时对隧道竖向变形影响最小;隧道下卧土层的弹性模量对隧道结构变形影响最大,且弹性模量越小,结构变形越明显。     

地面堆载引起下卧盾构隧道剪切错台变形计算研究

采用Boussinesq公式求解得到地面堆载工况下隧道轴线处的土体附加应力;基于剪切错台模型,运用最小势能原理计算得到下卧地铁盾构隧道的纵向位移以及相邻盾构衬砌环之间的错台量和环间剪切力。通过算例分析,研究堆载面荷载q、堆载偏移距离s、隧道上部覆土厚度h以及堆载尺寸B和L对隧道纵向位移的影响。研究结果表明:q越大,盾构隧道的沉降量就越大,但隧道沉降影响范围并没有增大;随着s增大,隧道沉降量越来越小且沉降量减小的速率加快,隧道的水平位移则先增大后减小;随着h增加,隧道最大沉降减小,同时隧道沉降影响范围加大;B的改变对隧道竖向位移影响非常小,L的改变对隧道沉降量及范围的影响较大;隧道的竖向位移要明显大于隧道的水平位移。     

软土隧道开挖对群桩影响的三维分析

基于能较好地反映卸载条件下土体应力应变关系的HS模型,通过三维有限元模型对盾构隧道施工过程的合理再现,分析研究了上海等软土地区隧道施工对周边桩基础变形和内力的影响规律。基于数值仿真计算结果,重点探讨:1)隧道施工对群桩沉降变形的影响规律;2)隧道施工对不同位置桩身水平位移的影响规律及作用机理;3)隧道施工过程中桩端阻力以及桩身正负弯矩的发展演化规律。通过隧道施工对桩基变形与内力影响规律的揭示,可以发现,对于上海地区典型的软土地质条件,当隧道开挖面距参照面在1.5倍的隧道直径范围内时,隧道开挖对桩基沉降和承载力的影响最为显著。研究结论为软土地区隧道安全施工提供借鉴。     

偏心堆载作用下盾构隧道横断面变形规律及其控制限值

基于修正惯用法,计算偏心堆载作用下隧道衬砌环的围压,采用MIDAS/GTS NX软件建立单环管片环的三维有限元模型,计算围压作用下管片环的横向变形及内力情况;提出采用椭圆度作为评价隧道结构变形的评价指标。研究结果表明:在偏心堆载作用下,盾构隧道结构呈现"斜椭圆"变形,在椭圆长轴两端隧道内侧发生挤压的现象,混凝土的应力较大。由于应力集中,管片与管片的接缝处的应力较大;椭圆度同时适用于对称和偏心堆载情况下的安全状态评价,混凝土和螺栓最大应力都随着椭圆度增大而增大,近似呈线性关系。当达到混凝土的屈服应力时,混凝土发生破坏,混凝土最大应力不变,螺栓最大应力增长变快,螺栓最大应力-椭圆度曲线斜率变大。     

既有隧道对盾构掘进引起深层位移场的影响

以软土地区盾构穿越既有隧道的几种典型工况为背景,借助三维数值模拟的方法,计算分析了既有隧道存在对盾构掘进引起深层位移场的影响规律。由计算结果可知,既有隧道的存在使得盾构掘进引起地面横向沉降影响范围明显增大,但沉降量则减少;从保护既有隧道的正常运营的角度来看,穿越既有隧道的净间距应大于1.0D。     

考虑土体小应变刚度的地表堆载对隧道影响数值分析

随着城市地下空间的进一步开发,交通隧道、地下车站和地下商铺等建筑(构筑)物不可避免地变得越来越密集,既有隧道周围会频繁存在堆载的情况。采用数值方法分别研究摩尔-库伦(M-C)本构模型及考虑土的小应变特性的硬化本构模型(HSS)情况下基坑开挖地表堆载尺寸、堆载大小及隧道埋深对既有顶管隧道变形的影响规律。计算结果表明:在相同堆载大小及堆载宽度的情况下,HSS本构得到的土体受堆载影响范围明显低于M-C(Moore-Coulomb)本构计算结果。当堆载大小为100 kPa时,M-C本构的侧边和深度影响范围达到了75 m,而HSS本构下侧边及深度影响范围仅有35、30 m左右;当堆载宽度为25 m时,M-C本构的侧边和深度影响范围达到了75 m,而HSS本构下深度影响范围不超过35 m,侧边则不超过40 m。基于数值计算结果,对实际工况提出严禁在既有隧道的正上方进行堆载的建议。     

软、硬地层中局部堆载对隧道横向变形影响的试验研究

通过缩尺模型试验研究了局部堆载位置对软、硬地层中隧道横向变形的影响机理,考虑不同堆载位置和隧道穿越土层性质,测量了分级加?卸载过程中隧道管片的椭圆度、接头张开量和附加土压力的变化情况。试验结果表明,当荷载大小相同时,随堆载偏心距增加,隧道椭圆度先迅速减小然后趋于平缓,堆载导致软土层隧道的椭圆度大于硬土层隧道,并且增加偏心距后软土层隧道椭圆度的减小更明显。增加堆载偏心距可以有效减小隧道接头的张开量,正上方堆载时变形主要发生在隧道左右肩部与顶部接头,偏心堆载时变形主要发生在荷载对侧的肩部与顶部接头。堆载作用下砂土层隧道土压力分布较均匀,而软土层隧道土压力主要集中于水平方向,随着偏心距增加,土压力逐渐减小且主要集中点向荷载对侧的斜截面转移。最后,采用有限元模拟进行了主要影响因素的参数分析,对运营隧道上方堆载与保护提出了相关建议。     

地面堆载对现有桥梁结构的影响分析

地面堆载对桥梁结构的影响,最直观的反应是使桥墩发生水平位移。采用加拿大 Geo‐Slope 公司的 Geo‐Studio 软件的SIGMA／W模块对现有桥梁进行计算分析,通过数值模拟计算堆载作用下桥墩的水平位移,以验证其对桥梁结构的影响。并根据计算结果,得出堆载距离现有桥梁的最小安全距离。     

曲线隧道施工引起地表沉降槽峰值偏移规律

由于曲线型盾构隧道卸荷扰动区的不对称性,使得隧道施工后地表沉降槽峰值出现了一定的偏移.故为便于对曲线型盾构隧道沉降峰值的偏移规律进行定性及定量分析,利用Midas/GTS有限元软件,以隧道的不同线路半径作为变量设定多个模拟工况,建立三维模型进行分析研究,且采用Origin软件对模拟的计算结果进行函数拟合;最后,依托乌鲁木齐市南农区间8标段小半径曲线盾构隧道的工程实例进行验证 研究表明:围岩变形、地表沉降峰值及地表沉降槽宽度均随曲线型隧道线路半径的增大而呈现出减小的趋势;地表沉降槽峰值点的偏移距离与隧道的线路半径关系近似反函数曲线.     

三维盾构隧道开挖面极限支护压力数值及理论解

对盾构隧道开挖面稳定性进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了维持开挖面稳定最小极限支护压力随隧道埋深比及土体强度参数的变化特性.将极限支护压力值表示为土体粘聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的三项叠加,并通过数值模拟获得了各影响系数随隧道埋深比及土体内摩擦角的变化规律.利用数值模拟结果对三维楔形体模型进行对比验证,结果表明楔形体模型得到的各影响系数在规律上与数值模拟结果相符,但在数值上,土体重度影响系数与数值模拟结果更接近,而粘聚力和上覆荷载影响系数则存在一定偏差.     

大直径土压平衡盾构下穿既有线U型槽结构变形

为确保盾构安全顺利地下穿地铁运营U形槽线路,避免下穿过程中引起U形槽结构过量沉降,影响运营安全,以北京新机场线2、3号风井盾构区间大直径土压平衡盾构下穿既有大兴线U形槽为工程背景,研究了砂卵石地层盾构隧道开挖对U形槽变形影响。通过对U形槽结构竖向位移、横向位移、轨道竖向位移、轨距等大量监测数据进行分析,得出盾构隧道开挖过程中既有结构的变形规律。结果表明:下方隧道开挖会造成U形槽和轨道结构产生不均匀隆起、沉降变形,竖向变形在2. 0 mm以内;隧道横向变形表现为不规则波动,变形在±0. 5 mm以内;轨距变化在±1 mm以内。既有U形槽结构竖向位移与盾构掘进参数关系密切;通过严格控制盾构施工参数,采用二次注浆、深孔注浆方式对管片背后进行填充,可大幅减少结构沉降。研究结果可为控制U形槽结构变形,确保既有线运行的安全提供借鉴。     

软土浅埋超大直径盾构始发端头加固范围研究

为确定软土地层浅埋超大直径盾构始发端头加固的合理范围,以珠海杧州隧道为工程背景,采用有限元建模分析,研究了端头加固范围对素混凝土墙破除以及盾构始发掘进过程地层变形的影响。基于数值分析结果,以端头中心点水平位移为控制目标,得出横、竖向合理加固厚度约为0.28倍隧道开挖面直径,略大于理论计算值和工程经验值。盾构掘进模拟结果表明,当纵向加固长度超过盾构机长度后,横断面受剪区域未与地表形成“塑性贯通”,端头盾构掘进对地表扰动程度较低;如以地表最大沉降为控制值,软土地层合理加固长度为1.14倍盾构机长度,该结果与理论计算值接近,而略小于工程经验值。     

盾构法近距离下穿施工对既有盾构隧道的影响

新建隧道近距离下穿既有盾构隧道,势必会引起既有隧道不均匀变形.以北京地铁12号线西三区间盾构穿越机场专线为工程背景,提出了适合既有运营隧道纵向刚度折减的修正等效连续模型.模型以轨顶面为中性轴位置,可以较好考虑运营隧道对道床、钢轨等结构的影响.数值分析及与已有经验模型对比结果表明,修正等效连续模型预测值与监测值最吻合,验证了模型在本工程中的适应性.从隧道净距及地层性质两方面进行了参数分析,研究结论可为类似盾构下穿既有线路工程提供参考.     

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。     

盾构出洞冻结法加固土体的稳定性分析

运用三维有限差分软件FLAC3D对上海轨道交通某区间隧道盾构出洞冻结法施工过程进行了模拟,对盾构出洞过程中施工稳定性进行评价。施工竖井为地下四层结构,围护结构采用地下连续墙。数值模拟冻结壁水平应力、最大主应力、沿隧道开挖方向位移的变化,将模拟得到的应力与冻结壁强度设计值进行对比,并对隧道轴线方向地表沉降位移进行预测,同时采用安全系数法对施工的安全性进行了评价。安全系数满足设计要求,进一步说明了冻结法在软土地区地下工程施工中的优越性。     

盾构与浅埋暗挖隧道小净距并行施工工法优选

针对新建暗挖隧道对已建盾构隧道的影响,以济南地铁R3线盾构与浅埋暗挖隧道小净距并行段为依托,对暗挖隧道不同施工工法进行模拟优选,分析在帷幕注浆加固条件下新建暗挖隧道对已建盾构隧道管片变形及应力的影响,并结合现场实测数据对比验证优选施工方法的可靠性.研究结果表明:暗挖隧道施工工法对于地表沉降和隧道管片的变形影响显著,其中交叉中隔墙(cross diaphragm,CRD)法和双侧壁导坑法在控制地表沉降、管片变形及应力方面差异较小,且两者均优于核心土法和中隔墙(center diaphragm,CD)法.综合考虑施工速度、影响范围以及地表与既有盾构隧道变形控制等因素,确定暗挖隧道采用CRD法施工.现场监测表明采用优选的施工工法可以保证地表变形和盾构管片变形控制在允许范围之内.