合肥地铁盾构隧道下穿河道施工数值模拟分析

文章针对合肥地铁1号线盾构下穿南淝河存在的安全隐患,基于流固耦合原理与有限差分方法,采用FLAC3D对隧道盾构开挖流固耦合效应进行模拟,分析了盾构推进过程中隧道周边土体孔隙水压力规律、竖向应力场、拱顶沉降等。研究表明:盾构开挖导致隧道拱顶及两侧土体孔隙水压力明显降低,地下水在水压力的驱动下向拱顶与两侧流动,这些部位容易出现危险,要防止涌水事故的发生;考虑流固耦合后,围岩竖向应力值变大,最大拉应力与压应力均变大,隧道周边局部围岩出现较大的应力集中现象,对隧洞安全不利,拱顶竖向位移增大,竖向位移在水平方向从隧道中心向两侧不断减小,而土体后期固结沉降占最终沉降的比例达到30%,要加强后期监测,防止沉降过大影响隧道安全。     

盾构隧道施工对管片环和地表沉隆变位的影响研究

结合某地铁区间盾构隧道所处围岩地质状况,引入荷载释放系数,采用三维有限元法对盾构隧道施工所引起的隧道应力场和位移场、管片环整环变形、地表三维沉隆变位与横、纵向沉隆曲线分布变化规律进行了深入研究,得到如下结论:(1)隧道施工将引起呈带状分布于隧道拱顶的较大管片环应力,且该应力随施工进程增幅较小。(2)管片环最大和最小位移分别呈带状分布于盾构隧道拱顶和拱底,且随着掌子面的前行略有增加并渐趋稳定。管片环呈横向变形趋势发展,拱顶下沉量最大,拱腰外扩量次之,而拱底隆起量最小。(3)随着掌子面的逼近,前方约15m处地表形成隆起,随后下沉且该沉降速率较大,两侧土体向隧道中线移动,地表沉降槽较大但渐趋稳定。     

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。     

运营期浅埋公路隧道拱顶覆土层力学分析模型及沉降规律研究

浅埋盾构隧道下穿既有公路时,车辆荷载作用下隧道拱顶不同深度覆土层会发生沉降,针对这一问题,提出一种盾构过程中拱顶覆土两阶段沉降分析模型,采用ABAQUS数值模拟(FEM)验证本文所建立沉降模型的正确性。研究结果表明：对Peck公式中土体体积损失参量进行修正并基于非线性荷载作用下的Boussinesq解所建立的等效地表两阶段沉降分析模型能有效预测车辆循环荷载和隧道盾构耦合作用下盾尾拱顶覆土沉降发展规律。在盾构过程中,盾尾拱顶覆土沉降扰动增加区段位于接近区至下穿区前2/5处,下穿区出现沉降峰值后进入沉降扰动平缓区段,远离区为沉降扰动减小区段,沉降发展规律符合Protodyakonov压力拱理论,沉降增加主要发生在压力拱破坏期间;盾构完成后,车辆循环荷载影响5 m左右深度的覆土层沉降,深度大于5 m时车辆荷载发生应力扩散,沉降主要影响因素为隧道开挖造成的土体体积损失。     

深基坑内支撑调节对邻近隧道受力特性相互影响规律试验研究

现有基坑近接隧道施工的保护措施多为加强支护刚度或采用轴力伺服系统以减小围护结构变形,未能深入考虑支撑伸缩调控下基坑-隧道的受力特性。为了明确基坑开挖施工对邻近既有隧道影响以及可调节内支撑伸缩对“基坑-隧道”受力特性的影响规律,开展了砂土地基中“基坑-隧道”相互影响的室内模型试验研究。获得了隧道的内力、周围土压力、隧道上部地表沉降、地连墙变形、墙背土压力等变化规律。研究结果表明：深基坑开挖施工过程中,隧道呈现上下压缩、左右拉伸的趋势。临近基坑一侧的土压力减小迅速,远离基坑一侧的土压力表现为增大。周边地表沉降呈碟形。内支撑主动伸缩调控下,基坑下部支撑伸缩引起的隧道弯矩变化量大于调控上部支撑,同时伸缩三道支撑时影响最大。支撑缩短时,隧道拱顶、拱底弯矩值正向增大,拱腰弯矩值反向增大。支撑伸长时,拱顶、拱底弯矩值减小,拱腰弯矩值增大。支撑伸缩对隧道拱腰水平土压力影响明显,对拱顶和拱底竖向土压力影响微弱。     

稳态渗流条件下盾构隧道松动土压力计算模型研究

越江海或地下水丰富的盾构隧道在长期使用过程中渗水情况时有发生,由此引起的渗流场对隧道顶部荷载的影响是不容忽视的,但现有的松动土压力计算理论很少考虑渗流效应,对此提出了稳态渗流条件下的盾构隧道松动土压力计算模型.考虑盾构隧道处于稳态渗流状态,基于复变函数的映射变换,推导了隧道覆土内的孔隙水压力与渗流力表达式;引入小主应力轴旋转理论,得出了相应的侧压力系数计算公式;基于太沙基土拱效应分析模型,在渗流作用与主应力轴旋转效应分析的基础上,采用极限平衡法建立了竖向应力的微分方程,给出了盾构隧道顶部的有效松动土压力解析解答,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证.研究结果表明:渗透系数相对值越大,隧道拱顶的有效松动土压力越大,但渗透系数相对值增大到一定程度后,该值的变化对于土拱效应影响很小;管片内侧水头恒定时,隧道拱顶的有效松动土压力随着渗流量的增加而减少;地表水头高度越大,隧道顶部的有效松动土压力越小;地表水头高度一定时,管片内侧水头高度的增加会削弱隧道顶部土拱效应;拱顶土体的位移越大,土拱效应越强;本文模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了本文模型的有效性.     

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号线某交叉中隔壁(cross center diaphragm, 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,围岩压力沿洞周呈现出拱底→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,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。     

不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究

为探明不同溶腔-隧道净距下隧道施工对岩溶地层的扰动影响规律,以贵阳市轨道交通3号线一期工程为依托,开展了城市浅埋环境下不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究。主要得到以下结论：(1)拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量;溶腔对原始地应力场的影响范围是有限的,溶腔直径为4 m、溶腔底部与隧道开挖轮廓线顶部净距为5 m时,隐伏溶腔的存在对隧顶围岩的沉降量影响不太显著。(2)溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa。溶腔底部距离隧道开挖轮廓线越近,拱顶围岩在隧道开挖后的土压力变化越小。岩溶地质现象对原始地应力场的影响表现为岩溶腔体对周边围岩的应力释放作用。(3)溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距并非越小对地表的沉降影响更大,溶腔-隧道净距与溶腔上覆土层厚度都会影响隧道开挖后的地表沉降。(4)各工况下拱架最终轴力表现为全环受压,弯矩值差异较轴力值更显著。拱...     

管线渗漏对地铁盾构影响的模型试验研究

文章采用室内模型试验,研究了地铁盾构施工中管线渗漏对管线、地层和隧道管片造成的影响,分析盾构施工与管线渗漏作用下的地表沉降和隧道管片内力变化规律。结果表明:地下管线渗漏的存在对隧道周围砂土的应力场和位移场有着较明显的影响,管线沉降增大了28.78%;管线渗漏的水体对砂土的渗透力作用,导致局部土体沉降增加,在管-土相互作用下,管线最终沉降值为0.840 mm,因渗漏造成的管线沉降占总沉降的24.76%;在隧道开挖过程中,隧道顶部始终受上部土体压力作用,并逐渐增大;管线发生渗漏,地表沉降变大,造成隧道管片承受的应力也随之增大,增幅为30%左右。     

裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响

为研究裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响,依托国内某地铁越江盾构隧道工程,采用相似模型试验的方法,考虑既有裂缝位于拱顶、拱腰及拱底的3种裂损工况,分析了管片衬砌结构的变形特性、承载性能及破坏模式.结果表明,裂缝的存在降低了结构的整体刚度,改变了管片衬砌的结构体系,在相同荷载条件下,带裂缝管片衬砌结构的变形量显著增加,临界失稳点的椭圆扁平率明显增大,破损区域内力大幅减小,且极限承载能力均降低2个荷载级别.带裂缝管片衬砌结构破坏模式由结构性破坏转变为裂缝导向性破坏,裂缝位于拱腰时管片衬砌结构较早出现损伤破坏,但损伤破坏发展过程较平缓,而裂缝位于拱顶及拱底时损伤破坏愈趋突发性破坏.     

盾构施工对地表沉降的数值模拟分析

以合肥地铁3号线某区间隧道为工程背景,运用有限元数值模拟软件MADAS/GTS建立三维隧道施工的数值模型,计算隧道施工过程中引起的地表沉降。分析盾构施工在不同掘进距离条件下地表沉降的变形规律。模拟结果表明:在拱顶位置地表产生沉降最的大竖向位移。隧道下部围岩的最大隆起发生在拱底处;地表横向沉降范围随着开挖面的推进而不断加大,盾构施工的横向影响范围为隧道直径D的3倍。盾构施工造成的隧道下部围岩横向沉降影响范围约为洞径的2倍。     

土岩组合地层基坑开挖对下卧隧道变形影响模拟分析

目的 以济南CBD中心绸带路-礼耕路站区间基坑工程为背景,探究土岩组合地层中基坑开挖对下卧隧道运营安全影响。方法 通过三维数值模拟着重分析土岩组合地层中土岩分界面上下岩土强度参数黏聚力c、内摩擦角φ和弹性模量E、土岩交界面位置、围护桩嵌固深度等变化对隧道变形的影响规律。结果 基坑开挖下卧隧道拱顶和拱底均向上浮动,拱腰向内压缩;当土岩分界面处于基坑开挖范围内时,改变土岩地层强度和刚度参数、围护桩嵌固深度、对隧道变形影响较弱;随着土岩组合地层分界面从基坑范围下移到坑底以下隧道拱顶以上以及隧道开挖范围内,隧道拱顶上浮增幅量会逐渐非线性增大,收敛变形会线性增加。结论 土岩组合基坑开挖相较于纯土层基坑开挖对下卧隧道影响显著减小,但受土岩组合设计参数影响大。     

竖井工法开挖深基坑对下卧既有隧道上浮变形的控制

基坑开挖卸荷将改变地应力平衡状态,位于基坑正下方的地铁隧道将随基底一定深度范围内土层回弹而发生上浮变形。本文结合深圳地铁11号线正上方某采用竖井工法开挖的基坑工程为例,通过建立三维有限元模型分析下卧地铁隧道随竖井开挖过程的变形规律及竖井工法保护机制。结果表明：基坑开挖对下卧地铁隧道竖向卸荷作用显著,采用竖井工法能有效减缓隧道上浮趋势,减小最终上浮量;隧道纵向变形呈双峰形态,纵向变形曲率半径未超过规定值;隧道横截面随开挖过程而发生两侧拱腰压缩、拱顶与拱底之间拉伸的变形趋势,附加弯矩随开挖卸载率增大而逐渐减小,最大附加弯矩位于拱顶附近;竖井工法能减小基底土层的扰动程度,有效抑制基底土体以及隧道围土塑性区发展深度和面积,从而有效控制下卧地铁隧道的隆起量。     

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。     

考虑水力耦合效应的超大直径穿江隧道开挖扰动分析

文章以芜湖超大直径过江隧道穿越长江段为例，采用岩体水力耦合细观力学模型对江底隧道开挖过程进行数值模拟，分析水力耦合效应、岩体内部微裂纹结构特征及支护水压等对开挖响应的影响。结果表明：不考虑水力耦合时，隧道开挖引起的最大水平位移位于隧道两侧，随着与洞周距离的增大而减小，隧道底部隆起值大于顶部沉降值，而考虑水力耦合作用后，隧道两侧边墙与江底地表均产生较大的水平位移，隧道顶部沉降显著增大，底部隆起明显减小，比顶部沉降小1个数量级；随着江水位增大，江水渗流作用对江底地面沉降变形影响效应更加明显；岩体内部初始微裂纹结构特征对隧道开挖引起的江底变形响应影响较大，优先水平发育时，水压力降低区域明显增大，江底地表竖直沉降范围明显扩大，距离开挖隧道较远区域地表也产生较大沉降变形；适宜的支护水压可对隧道开挖引起的变形扰动进行有效控制。研究成果对深化涉水隧道水力耦合研究具有一定参考意义。     

复杂软土盾构隧道横断面抗震时程分析

为研究复杂软土场地中盾构隧道的地震响应,以天津Z2线一期工程为例,结合地质勘察报告和地震安全性评价报告,建立复杂软土场地中盾构隧道横断面抗震计算的ABAQUS模型,并编制了用于土体材料参数非线性迭代的Python程序.计算模型边界采用黏弹性边界,地震动采用等效结点力的形式输入,土体材料的非线性采用等价线性方法考虑,混凝土材料采用塑性损伤模型.计算并提取了隧道管片弯矩最大时刻对应的管片内力,分析了安评地震波作用下的盾构管片横截面内力响应特征.研究表明,小震和中震作用下管片受到的静力荷载起主要控制作用,大震的地震作用对管片内力分布形式具有较大的影响;初始地应力对盾构管片内力大小和分布具有重要影响;在初始地应力和地震联合作用下,盾构管片的最大正弯矩出现在拱底邻近位置,最大负弯矩出现在两侧拱腰邻近位置;盾构管片设计时应当加强对两侧拱腰、拱顶和拱底的构造措施.     

基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引发地表变形

利用泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥水介质渗透的微观机理进行分析.同时,以具体工程为研究对象,结合流固耦合基本原理对由于开挖面泥水渗流所引起的隧道开挖位移场进行计算分析.研究结果表明:泥水介质向开挖面前方土体渗流时,将引起隧道地表附加沉降,且泥水压力大于主动土压力时,泥水压力越大,附加沉降量越大,但总沉降量越小;泥膜渗透系数越小、泥膜厚度越大附加沉降越小;适当增加施工进度有助于减少附加沉降.因此,在高渗透性地层条件下采用泥水盾构施工时,应确保泥水介质的质量,适当提高施工进度,尽量减少泥水渗透对开挖面稳定性及地表变形的小利影响.     

长沙地铁1号线盾构掘进参数对地表沉降影响分析

为了研究长沙地铁施工中土压平衡盾构掘进参数对地表沉降的影响,本文基于长沙地铁1号线北辰三角洲站~开福寺站盾构区间隧道工程实例,统计了土压平衡式盾构在该区间段的部分掘进参数,并初步分析了参数之间的关系,进而通过数值模拟的方法分别探讨了地层种类、掘进压力、盾尾注浆压力等不同施工工况下的地表沉降响应.研究结果表明:测点沉降值随着隧道范围内圆砾或卵石成份含量增多而增大,但增大趋势总体上在减小;掘进压力对地表沉降的影响小,但地表隆起值与掘进压力成正相关,当掘进压力超过0.3MPa后,隆起的幅度急剧增大;盾尾注浆压力提高1倍,地表沉降可减少10%以上,但过高压力值反而会引起管片应力急剧增大.     

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.     

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。