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。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形,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。研究结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。     

盾构接收工作井围护结构附加应力计算及应用

为分析盾构接收对工作井围护结构附加应力的影响，以某盾构隧道工作井为依托工程，通过建立盾构接收期工作井围护结构力学模型，基于弹性力学Mindlin应力解与Sagaseta公式，提出盾构刀盘正面附加推力、盾壳与土体摩擦力、同步注浆压力及土体损失对工作井围护结构附加应力的计算方法. 通过对工作井围护结构附加应力的主要影响因素进行计算分析，并结合数值模拟研究接收期工作井围护结构的力学行为，基于工程实例形成了盾构近接控制原则. 研究结果表明：1）工作井围护结构附加应力的影响范围随盾构隧道直径增大而扩大，且主要发生在盾构直径的1.5倍范围圈内，盾构机所处深度对附加应力最大值具有重要影响；2）总附加应力中以正面附加推力和盾壳与土体摩擦力引起的附加应力为主，占比分别约1/3和2/3，同步注浆和土体损失引起的附加应力相比前两种可忽略不计；3） 总附加应力的理论计算和数值模拟结果基本一致，验证了计算方法的合理性，同时数值模拟表明盾构接收期工作井围护结构的弯矩和变形增长了1倍左右，在盾构接收施工中应予以重视；4）基于掘进速率对工作井围护结构附加应力的计算分析结果，在工程接收关键区间（10~0环）中采取了“低推速”接收原则，保障了盾构的安全接收，可为同类工程提供参考.     

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.     

盾构隧道施工对邻近深基坑的影响分析

目的研究双线盾构施工过程对邻近深基坑位移的影响,为相关隧道施工提供参考.方法笔者结合某地铁区间双线隧道,使用Midas GTS岩土有限元分析软件建立模型,进而分析盾构施工对邻近深基坑围护结构的影响.结果盾构施工完成后地下连续墙的水平位移增加了5.48 mm;随着掘进压力的逐渐增大,地下连续墙的最大水平位移值也在不断增大;随着千斤顶推力的不断增加,地下连续墙的水平位移呈现出不断减小的变化趋势;随着注浆压力增大,地下连续墙的水平位移反而越小,但减小程度较小.结论盾构施工对邻近基坑的围护结构产生的变形不可忽略,在施工设计及施工过程中应充分考虑并予以关注.     

盾构智能辅助施工系统中推力研究

根据盾构推进时所受阻力和地质情况,建立盾构力学模型,推导出千斤顶各区推力和总推力的理论计算公式,并将理论计算值与实际测量值进行比较,验证了理论公式的正确性;利用盾构前向探测系统判别地质类型,获取相关参数进行推力计算;根据现场施工数据,寻找盾构处于不同运行模式时各区压力的比值规律;综合以上因素设计盾构智能辅助施工系统,为司机确定推力数值和各区压力分配提供参考,使盾构沿预设的隧道理论轴线推进,有利于提高施工质量.     

大纵坡隧道复合式隧道掘进机掘进推力对管片结构的力学响应分析

隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在进行大纵坡隧道上坡施工时的掘进推力控制不当易造成管片错台、上浮甚至结构失稳等问题,因而研究大纵坡隧道TBM掘进推力对管片结构的力学响应具有重要的工程意义。以重庆轨道交通9号线刘家台始发井—鲤鱼池站区间坡度为3.9%的复合式TBM隧道施工为例,采用基于荷载-结构法的隧道纵向梁-弹簧模型和数值模拟法,分析复合式TBM在大纵坡隧道掘进过程中不均匀千斤顶推力作用下产生的附加作用力特征,探究管片结构在附加作用力影响下内力分布规律及其变形的薄弱区域,以及管片结构变形甚至破坏的表征,从而寻求具体控制TBM施工掘进推力的有效措施。研究成果可为规范大纵坡隧道TBM施工中的推力分区和选值提供借鉴。     

大纵坡隧道复合式TBM掘进推力对管片结构的力学响应分析

TBM在进行大纵坡隧道上坡施工时的掘进推力控制不当,易造成管片错台、上浮甚至结构失稳等问题,因而研究大纵坡隧道TBM掘进推力对管片结构的力学响应具有重要的工程意义。本文以重庆轨道交通9号线刘家台始发井～鲤鱼池站区间坡度为3.9%的复合式TBM隧道施工为例,采用基于荷载-结构法的隧道纵向梁-弹簧模型和数值模拟法,分析了复合式TBM在大纵坡隧道掘进过程中不均匀千斤顶推力作用下产生的附加作用力特征,探究了管片结构在附加作用力影响下内力分布规律及其变形的薄弱区域,以及管片结构变形甚至破坏的表征,从而寻求具体控制TBM施工掘进推力的有效措施。研究成果可为规范大纵坡隧道TBM施工中的推力分区和选值提供借鉴。     

曲线盾构隧道施工地表沉降分析

目的研究盾构法隧道曲线段施工过程中产生的不均匀地表沉降,提高对隧道曲线段地表沉降的预测及计算能力.方法以马来西亚吉隆坡某地铁隧道区间盾构施工为案例背景,通过现场试验、拟合计算及二维数值计算等方法,研究曲线隧道地表沉降计算,分析地表沉降、千斤顶推力等因素之间的关系.结果在经典的隧道施工地表沉降经验计算公式的基础上提出了修正公式,该修正公式更适合于预测计算曲线盾构隧道施工的地表沉降,最大误差值在4%以内.同时给出了地表不均匀沉降量与盾构不均衡推力之间的关系式.结论笔者提出的曲线盾构隧道地表沉降计算公式优于经典的地表沉降经验计算公式,可更准确的描述曲线盾构隧道施工过程中地表沉降槽的形态.     

盾构隧道施工对桩基变形与内力影响研究

本文针对隧道穿越桩基-框架结构工程算列,建立隧道-地基-桩-框架共同作用的数值模型。数值计算后得到了隧道穿越过程中桩的变形与内力的变化规律：盾构隧道施工对桩的影响区域可分为三个区域,盾构隧道施工对这个三个区域桩的位移、轴力和附加弯矩的影响均有明显的不同。     

土压平衡式盾构掘进顶推力和刀盘扭矩理论研究

利用盾构技术对隧道工程进行掘进施工时,盾构的顶推力和刀盘力矩的大小是控制隧道掘进的两个重要参数,将直接影响掘进过程的难易程度和时间进度。基于土压平衡盾构的原理,运用数学方法和力学平衡法,从理论上分析研究盾构刀盘力矩和顶推力的影响因素,并进行理论推导和计算,根据依托工程的实测值,对比分析顶推力和刀盘扭矩理论计算值与实测值的差异,验证了理论推导和计算结果的正确性,为盾构技术的进一步发展提供理论参考。     

盾构姿态变化对管片影响与控制研究及展望

大量盾构隧道工程实践表明,盾构姿态控制不良导致千斤顶对管片的偏心推力、盾壳对管片的挤压力、盾尾注浆对管片的不均匀压力等施工荷载是引起管片结构发生各种病害的主要原因.为了阐明盾构姿态变化对管片受力的影响及控制技术的应用现状,详细介绍了盾构姿态参数、测量方法及姿态变化过程,重点阐述了盾构姿态引起施工荷载的变化对管片结构影响的研究进展,并归纳施工各阶段盾构姿态的控制和纠偏技术措施,指出了现有研究的不足和尚需讨论的问题.建议研发高精度高智能化的自动导向系统,全面考虑姿态变化过程中的施工荷载,构建精细化管片模型和三维盾构姿态的动态模型,进一步探究姿态参数对盾构姿态的控制效应.     

基于渗流应力耦合的基坑开挖受力特性及其对邻近地铁隧道的影响

基于流固耦合理论,采用修正摩尔库仑本构关系,建立三维仿真模型,分析渗流特性、基坑开挖过程、不同降水速度下基坑施工特性以及其对邻近地铁的影响,并与实际监测结果进行对比分析。研究结果表明:土体渗流呈现空间差异性与时间差异性;基坑内降水速度对基坑外侧的地层变形影响较小;随开挖深度增大,土体位移增大,排桩水平位移总体上大于竖向位移;应力集中造成的基坑角部弯矩较大,在工程实践中应设置角部支撑分散应力集中产生的不利影响;锚固单元体系安全系数可满足设计要求;地铁区间隧道形状呈扁平状的椭圆形发展,隧道顶部及左右侧腰部受力较大,在设计施工中应进行配筋等加强处理;基坑开挖降水引起的左线隧道附加弯矩整体上明显大于右线隧道的附加弯矩;地铁隧道最大弯矩发生在左线地铁隧道中部靠近基坑位置;考虑流固完全耦合分析的计算结果与现场实测结果接近。     

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．     

分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究

在盾构隧道开挖过程中,掌子面受力十分复杂,盾构机对掌子面的推力对维持掌子面前方土体的稳定起着关键性作用,为此,基于筒仓理论和极限平衡法,改进传统楔形体模型,考虑盾构隧道掌子面处土体分层对掌子面极限推力的影响,建立折线型滑动模型,推导掌子面极限推力的计算公式。依据实际工程建立相应的数值模拟模型,并对计算公式中各参数敏感性进行分析。研究结果表明：考虑掌子面土体分层时极限推力的数值模拟解与由本文所得公式计算的理论解误差很小,验证了本文所述模型和计算方法的可靠性与准确性;掌子面极限推力随隧道埋深和直径增加而增大;分层土中引起极限推力变化的主要土体是上层软弱土;盾构直径越大,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响越大,且内摩擦角对极限推力的影响更显著;当盾构直径较小时,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响较小。     

小净距浅埋盾构隧道相互影响机制与控制措施研究

工程实践表明,浅覆软弱地层中大直径小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道的安全.依托某盾构隧道工程,采用精细化数值模拟技术,建立盾构隧道施工模型,分析小净距浅埋盾构施工相互影响,并对不同净距下盾构隧道施工相互影响规律进行分析.结果表明:双线浅埋盾构隧道施工时,净距与地表沉降槽宽度呈线性正相关,与沉降峰值、管片附加变形、接头张开量和附加拉应力呈负相关;浅覆软弱地层盾构施工时应避免将封顶块置顶;陈村2号隧道净距小于5 m区段,先行隧道管片内力不满足规范要求,采取"隔断墙+水泥土搅拌桩"控制措施,实测和数值结果均表明控制效果良好,研究成果可为后续类似工程设计和施工提供参考.     

小曲率隧道盾构关键技术及发展现状

21世纪是地下空间开发利用的世纪,地下轨道交通成为争先推动的重点之一,其对缓解交通压力有着不可替代的优势.因盾构隧道施工具有自动化程度高、掘进速度快等优点,在目前地下轨道交通修建中被普遍采用,特别是小曲率盾构区间因其线路适应性强,更是未来地下空间开发利用的重要支撑.与直线隧道相比小曲率隧道的力学性能更加复杂,会给盾构管片设计带来前所未有的挑战.首先总结剖析国内外几种常见的盾构管片衬砌计算模型及相关试验方法,分析当前典型模型的优缺点,进一步开展小曲率半径掘进区盾构管片的现场试验,提出小曲率隧道盾构设计关键技术,有望对未来地下轨道交通的小曲率区间盾构设计提供理论指导与技术支撑.     

新建隧道对拟建平行隧道地层变形影响系数的确定

基于Mindlin及Loganathan解,给出正截面附加推力、盾壳摩擦力和土体损失这三个主要影响因素下新建隧道对拟建平行隧道地层变形影响系数的计算公式,并以北京典型地层为例进行分析.结果表明:正截面附加推力影响系数及盾壳摩擦力影响系数随着隧道间距和隧道埋深的增大而减小,两者最大值点随隧道埋深每增加10 m,其位置距开挖面增加1倍洞径,即6 m;土体损失影响系数随着隧道间距的增大而减小.研究结果可为类似工程提供借鉴及参考.     

Pasternak地基中盾构隧道穿越引起地下管线竖向位移

采用统一土体移动模型三维解计算盾构施工引起的地下管线平面处土体竖向位移,并基于Pasternak地基模型对地下管线受力模型进行简化,建立单线、双线盾构隧道开挖引起的地下管线三维竖向位移计算公式。将计算结果与实测值进行对比;并探讨了管线材质、管线埋深以及土体损失率改变对管线竖向位移的影响。研究结果表明:计算结果与实测值比较吻合,可以计算单线和双线盾构开挖工况;双线隧道开挖引起的管线竖向位移大于单线隧道引起的管线竖向位移;管线材质和管线埋深的改变对管线最大竖向位移的影响较小,管线最大竖向位移随抗弯刚度增大而减小,随埋深增大而增大;土体损失率的改变对管线最大竖向位移的影响较大,土体损失率越大管线最大竖向位移也越大。     

考虑盾构施工扰动土体固结的地层沉降计算

为解决以往盾构隧道的地层沉降计算不考虑施工扰动土体的固结沉降对总沉降的影响而使得计算结果偏小的问题,通过对盾构隧道施工致周边土体的扰动机理分析,指出盾构上方一定范围内的被扰动土体为欠固结土,应用欠固结士的沉降计算理论,得出了考虑盾构扰动周边土体固结影响的隧道沉降计算修正方法.与工程实测值的对比结果表明,地层沉降计算修正方法的计算结果更符合工程实际,工程应用上偏于安全,该成果对于盾构隧道施工的地层沉降预测与控制具有一定的参考价值.     

含气地层不均匀沉降对盾构隧道结构影响的固-液-气耦合分析

为掌握含气地层中盾构隧道渗漏气引起的地层变形对隧道结构的影响,以苏通气体绝缘金属封闭输电线路(gas-in-sulated metal enclosed transmission line,GIL)项目中江底富含高压浅层气地层为研究对象,利用自主开发的有限元程序,并采用非饱和弹塑性本构模型,对含气地层不均匀沉降对盾构隧道结构的影响进行了三维固-液-气耦合数值模拟分析.结果表明:排气引起的地层不均匀沉降会导致隧道沉降,产生附加内力.其中,渗气口附近沉降位移最大,含气地层下部由于卸荷效应会有少许回弹;同时,沉降位移最大处所在截面的附加弯矩也最大;越远离含气层的位置,截面附加弯矩越小.