城市地铁盾构施工地层变形三维数值模拟分析

富水砂层条件下,盾构施工问题多、风险大、施工变形难控制。以南昌地铁某区间盾构隧道工程为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D建立了三维盾构施工力学模型,对富水砂层条件下的盾构施工过程进行动态数值模拟,并结合现场实测数据分析了盾构施工引起的地表沉降规律。结果表明:盾构施工引起的横向地表沉降呈"V"形,最大地表沉降发生在隧道中心正上方,最终形成的沉降槽宽度约为6倍隧道外径;盾构施工引起的纵向地表沉降呈"S"形,盾构开挖面前方表现为隆起,开挖面后表现为沉降,在开挖面后一定距离逐渐趋于稳定;开挖面支护力对稳定开挖面土体及减小地表沉降有较大影响;盾构进洞与出洞施工中存在较大风险,应采取相应的工程措施以保证盾构施工安全进行。所得结论可供南昌地铁区间盾构隧道设计与施工参考。     

盾构隧道邻近地下连续墙围护结构施工影响研究

通过室内模型试验分析研究了城市中盾构隧道施工对邻近基坑围护结构及其周边砂土地面沉降的影响效应。研究结果表明:基坑围护结构对其周边由盾构施工诱发的砂土地面沉降存在一定的约束作用,且围护结构角部对周边砂土地面沉降具有更强的约束作用;盾构开挖面到达监测断面将诱发处较大增幅的地下连续墙墙身附加应变及其周边砂土地面沉降,而当开挖面超过监测断面约1.7D,地下连续墙墙身附加应变及其旁侧的砂土地面沉降将趋于稳定;盾构动态穿越施工将导致邻近侧向地下连续墙角部墙身底部与中段墙身中部出现较为明显朝向隧道的弯曲变形。试验结果揭示了盾构动态穿越施工导致的邻近侧向地下连续墙基坑围护结构弯曲变形规律,有利于对地下连续墙围护结构采取有针对性的加固保护措施。     

近距双线盾构隧道开挖诱发地层变形演变规律及数值模拟

双线平行隧道盾构施工相互扰动作用对其诱发的地层变形分布特征和演变规律影响显著。以某地铁双线盾构隧道工程为例,考虑双线平行隧道间距与盾构施工相互作用影响,采用数值模拟和现场实测相结合的方法对双线平行隧道盾构施工引起的地层变形演变规律进行了对比分析,并提出了考虑近远距状态的双线平行隧道盾构施工地层变形预测模型。研究结果表明,双线盾构隧道施工地层竖向变形曲线由“V”形发展为非对称“W”形分布,沉降槽宽度由6D扩大为10D,地层深度越深非对称“双峰”特征越明显;地层水平变形曲线以两隧道中线为轴线呈反对称分布,两隧道间区域土体变形受施工扰动影响显著;地表沉降曲线分布随双线隧道近远距变化由深“V”形—浅“V”形—“U”形—浅“W”形—深“W”形—两独立“V”形演变,采用L cr=2CKH可作为双线平行盾构隧道近远距状态临界判据,本文提出的预测模型能较好地反映近远距状态及施工相互扰动对双线平行隧道盾构施工地层变形的影响规律。研究成果可为类似地铁隧道盾构施工变形预测与精细化控制提供科学参考。     

双线盾构多因素引起地下管线的附加荷载研究

研究了地下管线与双线盾构垂直时地下管线附加荷载的分布规律。采用弹性力学Mindlin解,推导出双线盾构在掘进过程中多因素引起的土体附加应力计算公式。基于Winkler土体模型,推导出双线盾构施工中土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。算例分析结果表明:双线盾构施工中盾壳摩擦力和盾尾注浆压力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小;土体损失是引起竖向附加荷载的主要原因;随着先行、后行盾构开挖面前后距离Q的减小,后行盾构上方管线的附加荷载变化比较明显;随着先行、后行盾构轴线水平间距L的增大,x和z方向的附加荷载峰值减小。     

小半径盾构下穿高铁桥支护优化及变形控制研究

以济南轨道交通R1线小半径盾构隧道下穿京沪高铁桥为工程依托,分析盾构掘进过程中对高铁桥的影响,并结合现场施工条件提出直线形、折线形、曲线形3种隔离桩布局形式,探讨其变形控制效果。结果表明:曲线盾构施工引起的周围土体应力状态及桥桩变形特征比盾构直线掘进更加复杂,在无隔离桩支护时,桥桩沉降超过1mm的规范设计要求,桩基水平位移高达3.112mm,高铁桥变形过大;对比分析3种隔离桩布局,直线形隔离桩变形控制效果较差,不能完全保证高铁桥安全,曲线形和折线形隔离桩可有效控制高铁桥变形,综合考虑经济性与施工便捷性,确定折线形隔离桩布局最优。研究成果对小半径盾构隧道隔离支护施工具有重要指导意义。     

盾构隧道施工对邻近建筑物差异沉降与扭曲变形影响分析∗

针对盾构隧道施工侧穿既有建筑物问题,结合南京地铁一号线北延段工程,以盾构隧道侧穿某浅基础建筑物为研究对象,通过对建筑物沉降实测数据进行分析,并利用Plaxis 3D 软件建立数值模型,研究了隧道距建筑物不同水平距离和盾构以不同角度穿越对建筑物差异沉降与扭曲变形特征的影响。结果表明：随着盾构开挖面逐渐接近建筑物,建筑物差异沉降及扭曲变形逐渐增大;差异沉降量在盾构机通过时达到最大值,之后趋于稳定,而扭曲变形峰值出现在盾构开挖面到达建筑物中点截面位置时,随后逐渐减小;当建筑物中心至隧道轴线的水平距离与隧道外径之比L/D=0.5~2 时,建筑物差异沉降量较大,在L/D=1.5 时达到峰值;当盾构穿越夹角从θ=0°增大至θ=90°时,建筑物最大差异沉降量不断增加,而最终扭曲变形值则先增大后减小,在θ=45°时扭曲变形达到峰值。研究结果可为盾构隧道侧穿浅基础建筑物时相关类似工程提供参考。     

下穿式箱涵顶进施工过程土体受力规律研究

为了研究下穿式箱涵顶进过程中土体应力变化规律,以新长铁路丁溪河中桥的疏浚拓宽工程为背景,实时监测了箱涵顶进开始到就位过程中桥台处土体的应力变化。基于ABAQUS建立了箱涵与土的三维有限元模型,定义了箱涵底板、侧墙与土之间的法向接触对和切向接触对,从而将实际箱涵顶进施工的过程等效为给定箱涵初始位移的接触分析问题。根据实际施工中土层切土高度的变化情况,模拟了切土高度分别为4.51 m和6.51 m的两种箱涵顶进工况。计算结果表明,数值模拟得到的侧向土压力整体要大于实测土体的压应力,这主要是由于数值模拟中采用的是接触压应力,而顶进过程中可能出现箱涵侧墙与土体分离而导致的空顶。切土高度为6.51 m时数值模拟得到的箱涵摩阻力与箱涵的实际顶力非常接近,实现了二者的近似平衡,而切土高度为4.51 m时计算的摩阻力要小于实际顶力。     

地铁隧道基础变形分析与计算

地下空间开发引发了大量的补偿基础问题,同时也带来了新的岩土技术难题。对结构荷载已完全被开挖土重所替代的等补偿和超补偿基础而言,理论上基础将不会出现工后沉降,但大量实测数据表明,等补偿甚至超补偿基础往往在竣工后均出现沉降变形,南京地铁隧道基础便是典型实例。为此,探讨了深基础与浅基础间的异同点,并推导出考虑埋深的坑底土体应力计算方法;然后围绕基础的整个施工过程,详细分析了开挖卸荷和施工找平对基底变形的影响,发现找平过程中多挖了与隆起量体积相等的土体,而该缺失的土体将导致基础后期发生沉降变形。据此思路计算地铁隧道基础的变形量,并与工程实测数据进行对比,结果表明两者吻合较好,可为今后类似工程的分析提供参考。     

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。     

基于土体等效线性黏弹性模型的地下综合管廊地震响应

以大连旅顺新区地下综合管廊工程为研究背景,利用ABAUQS有限元软件,建立了三维有限元模型,土体与管廊结构采用了三维实体全积分单元,采用等效线性黏弹性模型来模拟土体的动力非线性特性、线弹性模型模拟管廊结构。数值模拟考虑了土-结构相互作用,模型四周及底边设置黏弹性边界,地震动以等效节点力的形式输入,研究管廊在Kobe地震波四种不同地震动强度水平向(X向)作用下的结构响应,研究表明:(1)震中及震后管廊的应力、位移、相对位移都随地震动强度的增大而增大,在地震过程中,管廊的应力、位移最大值在0.05 g时为1.545 MPa、0.034 95 m, 0.10 g时为3.061 MPa、0.068 57 m, 0.15 g时为4.599 MPa、0.103 23 m, 0.20 g时增加到5.572 MPa、0.135 45 m。(2)震中及震后管廊的应力比、位移比说明了土体在大震中发生了更大的不可恢复的变形,也说明了管廊等地下结构的地震破坏主要是由土体变形引起。(3)管廊中隔墙上端部、下端部为管廊的抗震薄弱位置,在进行管廊抗震设计时,应采取有效措施提高这些部位的抗震性能。     

输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明:减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。     

盾构隧道的开挖模拟及地震反应数值分析

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究.研究结果表明:随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并...     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

软土地下建筑物的地震响应及动力可靠性分析

在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析方法的基础上,引进可靠度理论,提出软土地下建筑物抗震稳定可靠性分析方法,对上海地铁一号线位于砂性土层及粘性土层这两种典型地质条件下的地铁车站及区间隧道的抗震稳定性进行了计算分析。计算中选用国内外6条强震地震记录曲线作为地震输入,计算分析内容包括:隧道、地铁车站、周围土体及注浆材料的动应力、孔隙水压力和震陷;地铁车站和周围土体的动力可靠度。所得结论可为软土地下建筑物抗震设计提供参考依据。     

广州地铁西村站近接桩基沉降现场监测方法及其应用

以广州地铁西村站近接9组桩基施工为例,运用三维数值模拟技术,研究了近接桩基沉降现场监测方法,建立了西村站近接桩基沉降控制标准、监控量测管理等级和监控量测频率。对西村站9组近接桩基沉降现场监测值及计算值分析的结果表明:9组近接分区桩基沉降现场实测值与采取加固措施后的近接分区桩基沉降计算值基本一致,仅桩基X J27和X J31略有不同,现场实测值略大一些,桩基X J27由C区变为B区,桩基X J31由D区变为C区;桩基X J34沉降过大的原因主要是,加固措施的施工质量未达标以及开挖到桩基X J34相应位置时对围岩扰动过大;提出的广州地铁西村站近接桩基沉降现场监测方法是正确的。     

隧道穿越距离变化对地表框架结构变形的影响

为了研究隧道施工对邻近建筑物基础的沉降量、沉降差、扭转及倾斜等变形特征随隧道距离的变化规律,结合广州地铁隧道下穿一个框架结构建筑物,利用FLAC3D软件建立隧道-土-建筑结构的三维有限差分计算模型,考虑了建筑物的中间纵向框架与隧道轴线平行、距离从0m增加到20m共11种工况。根据计算结果,建筑物的最大扭曲变形量和最大沉降量随着距离的增大,都由最大值逐渐减小趋于零,其中最大扭曲变形量减小很快,当水平距离超出隧道轴线埋深时,扭曲变形量可以忽略不计;而建筑物倾斜、相邻基础的沉降差先由零逐渐增加,在沉降槽边缘内侧达到最大值,随后逐渐减小,最后逐渐趋于零。研究结果表明,对于受隧道施工影响的地表框架结构建筑物,在隧道上方位置时应重点监控其沉降量和扭转变形量,而在沉降槽边缘内侧时应注意监控其沉降差和倾斜量。     

地铁竖井深基坑与龙门吊轨道基础共同作用分析∗

为合理设计地铁区间隧道竖井基坑支护方案和龙门吊基础，以厦门市轨道3号线某区间隧道竖井工程为研究背景，采用PLAXIS 3D岩土有限元数值分析软件建立竖井基坑、龙门吊轨道基础结构及邻近渣坑堆土相互作用的三维数值模型，模拟计算12种龙门吊荷载不同作用位置及偏压作用工况，结果表明：龙门吊行车作用下的地表最大沉降为4 mm，基坑围护墙结构最大变形值为16 mm，约为基坑开挖深度的0.64‰；基坑开挖变形引起的龙门吊轨道基础结构内力变化最大值为270 kN?m，变化幅度约为16.4%；周边堆土对竖井基坑变形及轨道梁内力变化量不超过13%，主要需满足未堆土工况下的侧壁自身稳定性；最后通过对基坑的监测数据分析，表明数值模型可靠，基坑总体上安全稳定，龙门吊基础设计合理，且有足够的安全度。     

燃气爆炸作用下地下综合管廊动力响应模拟

针对地下综合管廊结构的抗爆性能,依托某工程实例,建立综合管廊结构在燃气爆炸荷载作用下的三维有限元模型,确定燃气爆炸荷载曲线及其在地下管廊上的加载方式,分析了地下管廊在燃气爆炸荷载作用下的动力响应,讨论了燃气爆炸荷载峰值、持时等主要参数对地下管廊衬砌动力破坏特征的影响。结果表明,燃气爆炸荷载作用下,管廊衬砌的损伤破坏具有局部性和弱传递性;当超压峰值小于0.2 MPa,管廊损伤程度不大;随燃气爆炸荷载峰值的增大,管廊衬砌的损伤程度逐渐加重,达到0.7 MPa时,即便较短持时,燃气室也将出现明显破坏;随燃气爆炸荷载持时的增大,管廊结构损伤破坏加重;相同冲量时,荷载达到峰值时间越短,管廊衬砌的损坏范围和损伤程度越大。     

西安地铁双线隧道地表沉降预测模型研究

针对西安地铁留核心土、上下半洞开挖、超前小导管注浆加固与水平钢撑锁脚的钢拱架和挂网喷层支护的饱和黄土隧道,根据现场地面沉降监测数据,分析了隧道右线、左线掌子面间隔30m开挖过程中洞顶地表沉降变形的历时变化规律,以及左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽的分布特征.结果表明,洞顶地表沉降变形可以划分为初期沉降变形、右线开挖主变形...