盾构隧道壁后注浆机理及其对周边环境的影响

城市盾构隧道多建在建筑物高度集中地区,盾构法隧道施工壁后注浆引起的土体变形不容忽视。对盾构壁后同步注浆的几个主要影响因素(注浆压力、注浆量和注浆材料)的研究现状分别展开说明,包括注浆压力分布,对地层的劈裂,与前方泥水压力、上覆土和衬砌的关系,注浆量与注浆填充率的计算、注浆速度等。研究了盾构法隧道壁后注浆对周边的影响(如壁后注浆引起地层位移以及隧道上浮等)。最后对目前的研究进展及优缺点进行了论述,提出了进一步的研究趋向及思路。     

考虑多因素的双线水平平行盾构施工引起地表隆陷研究

对双线水平平行盾构施工引起的三维地表隆陷计算方法进行研究。考虑正面附加推力、盾壳与土体的摩擦力、注浆压力和土体损失的共同作用,基于先、后行隧道地表隆陷的叠加原理和相互影响,求解得到双线盾构施工引起的总的三维地表隆陷,该方法适用于施工阶段。考虑两条隧道轴线间距J和先行、后行隧道开挖面前后距离K改变的影响。结果表明:本文方法预测值与实测值比较吻合;减小K值,地表纵向沉降曲线形状逐渐由阶梯型转变成S型,最大地表沉降量和隆起量均有所增加;增大J值,地表横向沉降曲线形状由V型缓慢转变成W型,最大地表沉降量逐渐减小。     

被动双桩侧向土压力群桩效应的三维数值研究

被动桩侧向土压力的群桩效应是研究被动桩的重要问题。运用岩土数值计算程序FLAC3D,对土体沿深度发生均匀侧移,桩基两端简化为铰接的刚性双桩基础(桩中心连线与土体位移方向平行)进行研究。土体采用摩尔-库伦本构关系,桩基采用线弹性本构关系,桩土之间建立接触面。结果表明,在土位移增加的过程中,两桩侧向土压力均小于单桩,呈近桩大、远桩小。在浅层土体,加筋效应很小,但遮拦效应明显。在深层土体内,加筋和遮拦效应都很显著,p—δ曲线形状与单桩明显不同,在经历较短直线增长后,沿曲线增长至极限土压力,达到桩侧极限土压力所需的桩土相对位移量明显增加,当桩间距增长至6 D,群桩效应基本消失。最后与室内模型试验所得到的桩侧极限土压力群桩效应系数进行了对比分析。     

提高节理面c和Ψ对岩坡开挖变形的影响

为了反映岩质边坡在节理面注浆后的变形效应,首先,通过室内试验,分析注浆前后岩体变形和破坏的全过程,以探讨其抗剪性能(粘结力c和内摩擦角Ψ)的变化;然后,基于理想弹塑性本构模型的Mohr-Coulomb准则,运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),对岩坡注浆前后变形效应(水平位移、垂直位移、剪应变增量)进行模拟.结果表明:注浆加固后,岩体的位移场变得均匀和连续,节理面处的较大位移受到抑制,边坡的整体性得到提高,有利于边坡的稳定性.     

液化土体侧向扩展条件下群桩动力响应振动台模型试验

为研究液化土体侧向扩展对群桩基础动力响应的影响,设计了可液化场地流动变形对桩基础地震反应影响的小型振动台模型试验。采用"钢带法"估计不同位置、不同类型场地地基土的侧向位移,探讨了地基土侧向流动速率与桩基结构地震内力的相关性,对比分析了上部结构惯性力及场地类型对桩身内力反应的影响,研究了由倾斜场地土体侧向扩展导致的群桩偏移运动。试验结果表明,桩周及下游土体的侧向位移随着土层深度的减小而逐步增大。可液化土体发生液化时所产生的流滑效应促使土体孔压加速消散。在水平场地条件下,土体侧向扩展沿土层深度方向线性分布;而倾斜场地条件下,土体的侧向扩展沿土层深度呈"抛物线型"分布。随着地基土液化,群桩基础受到的土体侧向约束力逐渐降低,进而使得群桩的峰值位移逐渐减小。     

提高节理面c和φ对岩坡开挖变形的影响

为了反映岩质边坡在节理面注浆后的变形效应,首先,通过室内试验,分析注浆前后岩体变形和破坏的全过程,以探讨其抗剪性能(粘结力c和内摩擦角φ)的变化;然后,基于理想弹塑性本构模型的Mohr-Cou-lomb准则,运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),对岩坡注浆前后变形效应(水平位移、垂直位移、剪应变增量)进行模拟。结果表明:注浆加固后,岩体的位移场变得均匀和连续,节理面处的较大位移受到抑制,边坡的整体性得到提高,有利于边坡的稳定性。     

基于柱形孔扩张大应变理论的劈裂灌浆压力研究

用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性,是非常有效的加固堤坝的方法。基于柱形孔扩张理论,考虑大变形分析,假定灌浆孔周围土体服从广义SMP准则,通过理论计算得到劈裂灌浆压力的解析解,进而分析了土体内摩擦角和粘聚力对灌浆压力的影响。结果表明,内摩擦角对灌浆压力的影响较小,而粘聚力的影响则较为明显。所得结论为劈裂灌浆加固工程提供了理论依据。     

古土壤地层盾构施工引起的地表沉降分析

针对西安地铁上覆含有古土壤的黄土地层中盾构施工引起的地表沉降,在分析其产生机理、盾构施工数值模拟过程、基于经验公式的Peck地表沉降计算方法的基础上,探讨了基于注浆效果、支护压力以及偏心超挖的等代层厚度计算方法;具体分析了盾构施工数值模拟过程中的等代层弹性模量和掌子面支护压力比与Peck地表沉降计算公式中最大沉降量和沉降槽宽度之间的关系。研究结果表明,在含有古土壤的黄土地层中进行盾构施工数值模拟时,等代层模量的取值在5～10MPa范围之内,当等代层模量小于5 MPa时,隧道围岩将产生较大的塑性变形;掌子面支护压力比取值在0.5～1.0范围之内,当掌子面支护压力比小于0.5时,掌子面附近土体将产生较大的塑性变形,当掌子面支护压力比大于1时,地表将产生隆起变形。     

盾构施工引起周围土体位移的数值研究

盾构隧道施工会引起周围地层及地表变形并影响周围环境,为探索变形规律以进行预测,运用岩土数值软件FLAC3D建立三维模型,考虑天津地区软土特性,注浆体材料强度的时空变化特性及盾构施工中的各相关作用进行研究。首先建立标准模型进行分析,并与Loganathan公式计算及工程实测数据计算进行对比验证,然后就重要施工参数如超挖孔隙、注浆压力等的影响,不同土体本构关系对计算结果的影响,土体修正剑桥模型参数如超固结比、内摩擦角、压缩参数λ及回弹参数κ的影响进行了研究,将结果与已有的研究结果进行比较,具有较好的一致性。     

浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。     

岩溶地基土洞塌陷评价及处理

地下水(地表水)产生的渗透潜蚀作用、崩解作用等是土洞形成和发展的重要原因。对工程实例中的土洞,采用极限平衡法和压力拱分析法进行了稳定性判别。在土洞中充填砼,然后采用压力灌浆,灌浆所采用的水灰比为1∶1~1∶1.5,灌浆压力一般为0.15~0.30 MPa,地基处理效果好。     

PHC管桩土塞胀管作用定量分析

沉桩过程中,PHC管桩内形成的土塞将对桩内壁产生横向胀管作用。建立了PHC管桩土塞胀管作用的力学模型,并进行了定量分析。考虑沉桩扰动影响,将管内土塞分为楔形区和非楔形区,对土塞的一维平衡方程进行了修正。应用圆柱孔扩张理论解释管桩沉桩过程中的挤土效应,对桩外土体进行了弹塑性分析,得到了塑性区半径以及考虑土体初始应力的桩外土侧压力的解析表达式。根据圆环受均布内外压力的拉梅解答,给出了管桩环向破坏的判别准则。通过现场实测对模型进行了验证,对环向箍筋动态应变的测试结果表明,所建立的模型能够定量描述强胀管作用下PHC管桩的环向破坏机制,可用于工程中PHC管桩环向抗拉承载力的验算。     

折线坡形挡土墙主动土压力计算方法研究∗

折线坡形边坡由于其填土面形态与经典土压力理论假设条件不符,无法直接使用经典土压力理论求解。依据挡土墙背后楔形体静力平衡原理,建立墙后多边形楔形体侧压力分析力学模型,得到总侧压力关于破裂角的函数表达式,通过求其极值,得到主动极限平衡状态墙后填土破裂角和主动土压力。分别求得坡顶地表局部水平边坡、坡顶地表局部倾斜边坡主动土压力计算公式,与现行规范方法对比表明,克服了现行规范折线坡形挡土墙上主动土压力计算方法不考虑墙土摩擦力的不足,所得土压力合力及倾覆力矩均小于规范方法计算结果,与图解法方法计算结果一致,且避免了图解法繁琐的作图工作。针对实际工程中经常出现的坡顶地表局部倾斜边坡,提出了将坡顶地表局部倾斜土层折减为均布荷载的折算系数,简化了土压力计算方法。     

浅埋富含水砂层盾构下穿敏感性建筑水平冻结+短钢箱接收技术∗

盾构始发与接收是盾构法隧道施工的关键风险点,以常州地铁1号线一期工程博爱路站-常州火车站区间下行线盾构接收工程为例,隧道下穿常州火车站站厅,隧道顶部距地下大厅结构底板仅3.75 m,受地面条件限制采用水平冻结加固方式。通过对冻结温度场、卸压孔压力及车站底板隆起进行跟踪监测与分析,结果表明:受地下水影响温度下降缓慢,车站底板因冻胀隆起较大,最大隆起处位于隧道端头中心线处约为46 mm,且底板隆起值与测点温度的变化密切相关;为防止温度低引起冻胀过大造成上部结构破坏,采取在冻结壁外围适度卸水进行卸压措施;在冻结壁交圈但厚度尚未完全达到冻结设计要求情况下,提出加装短钢箱装置进行盾构接收。实践表明,适度卸压水平冻结+加装短钢箱接收方式密封止水效果良好,安全可靠,可为今后类似工程提供可行技术。     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

厚冲积地层盾构掘进参数设定及地表变形规律研究

盾构掘进参数与地质条件密切相关,在厚冲积黄-黏土层中掘进参数计算及地表变形规律具有显著的地异性特征。通过统计分析济南轨道交通R1线直径6.68m盾构隧道现场实测数据,明确了盾构掘进参数设定范围和修正计算公式,探究了掘进参数间相关性及其对地表变形的影响规律。研究结果表明:盾构总推力、刀盘扭矩、土仓压力的理论计算修正系数分别为0.677~0.753、0.882~1.260、0.985~1.641;同步注浆量、出土量与掘进速度呈较强线性相关;盾构掘进参数对地表变形规律影响显著,最大地表沉降量及地层损失率随土仓压力的减小而增大,随掘进速度增大呈二次函数递减,随同步注浆率增大呈线性递减。     

喷灌挤压组合桩工作机理现场试验研究∗

通过5棵喷灌挤压组合桩破坏性静载试验,获得该桩工作机理,明确荷载传递机制、桩身轴力、侧摩阻力分布规律。不同荷载作用下,轴力沿桩身逐渐减小,在翼板顶轴力小幅度增大;桩身侧摩阻力随着外载的增加而逐渐增大,上部土体侧阻力先于下部土体发挥作用;揭示喷射注浆效应范围为7～8 m。喷灌挤压综合效应承载力增长显著,主要表现在侧摩阻:存在翼板时,喷射注浆与翼板共同作用,其侧摩阻极限值在砂土层中提高3～4倍,在黏土层中提高2～2.5倍。无翼板存在,但存在喷射注浆效应时,其侧摩阻力极限值提高了2～2.5倍。与普通长螺旋灌注桩相比其极限承载力提高25%～100%。     

火灾下空心混凝土楼板内温度场分析模型及算法

计算火灾下空心混凝土楼板内温度场的关键是计算空腔内的热量传递。假设火灾过程中空腔内气体压力为常数,空气流动引起的热量损失忽略不计,空腔内的热量传递通过壁面辐射和空气传导实现。基于奥本海姆网络法,本文提出了计算空心混凝土楼板空腔内辐射热流的算法,推导了矩阵形式的空腔内有效辐射方程,考虑到系数矩阵的对称性,采用LDLT分解法求解有效辐射方程。利用空腔边界上的有效辐射热流,计算空腔边界上单元的温度节点荷载。这种方法已经嵌入作者开发的温度场分析软件TFIELD之中,用TFIELD对底面按ISO834曲线进行加热的空心混凝土楼板进行计算,结果表明,本文算法十分有效,对研究空心混凝土楼板的抗火性能具有积极意义。