地铁车站深基坑开挖变形及数值模拟分析*

为研究土岩复合地层地铁车站深基坑变形时空效应特征与规律，以南宁地铁某车站基坑为研究背景，在不同施工工况下对车站基坑进行有限元数值模拟，并结合实测数据进行对比。结果表明:数值计算值与现场实测值差距较小，2种变形规律接近一致，有限元计算结果合理。围护结构水平位移随施工进行逐渐增大，呈现鼓肚形状，水平位移由桩顶移动到桩身，最大位移稳定在桩身0.5~0.75H处；围护结构受力集中在第2道和第3道内支撑位置；基坑地表沉降中，长边方向的沉降比短边方向沉降明显，空间效应显著；在地铁车站深基坑中，基于时空效应机理，考虑施工影响，在施工过程中调整施工工序和参数，对基坑稳定和控制变形具有重要指导意义。     

富水砂层刚度参数敏感性分析及地表沉降预测*

为了在富水砂层地铁盾构施工中保证施工安全，控制地表沉降是其重要措施。依托福州地铁盾构工程项目，利用正交试验方法，使用有限元软件Plaxis 3D建立25个数值分析模型，采用反分析的方法，确定富水砂层土体硬化模型(Harding Soil model)主要刚度参数之间的关系；通过对各刚度参数进行极差分析与方差分析，确定土体硬化模型各刚度参数敏感性和显著性，建立刚度参数与地表沉降的数学模型。研究结果可以较好地对最大地表沉降进行预测，为富水砂层参数优化和盾构施工地表沉降预测提供理论基础。     

南水北调穿越北京地铁13号线清河桥施工优化分析

以南水北调工程盾构施工穿越北京地铁13号线清河桥工程为背景,采用有限元分析方法,针对不同施工加固措施及行车速度条件下所引起的桥面竖向变形、桥墩竖向变形和地表沉降等问题进行了研究。总结了预加固旋喷桩配比参数、注浆配比参数及行车速度等因素对各结构变形的影响程度。结果表明:水灰比为1.00时的旋喷桩,既能控制结构变形,又具有较高的经济和施工效益;水泥浆与水玻璃浆之比为1.0∶1.0时的注浆参数最优;行车速度控制在50 km/h以下时,能较好地控制结构变形的发展。最后通过对施工过程中各结构的变形进行监测,验证了优化结果的合理性。     

基于Madis-GTS NX的深基坑支护分析与三维数值模拟应用

以昆明国际汇都二期基坑工程为实例，从分析周边环境受深基坑开挖影响的各因素入手，采用理论分析、现场监测与数值模拟相结合的方法，应用Midas/GTS软件对此工程建立三维基坑模型，完成基坑分布开挖施工过程模拟，并进行数值模拟分析。将深基坑与周边土体、邻近建筑物看作一个系统，进一步研究周边地表及邻近建筑物在各影响因素下的变形规律。最后将模型中的支护结构变形值与实际检测结果进行分析对比，结果表明Midas建立的模型具有可靠性，得出基坑在开挖的过程中对邻近建筑物地表沉降产生一定影响，为施工设计与检测提供了可靠的依据，所得出的数据也为后续类似工程案例提供了数据支持。     

近塌陷区矿山公路开采沉降规律及安全性研究

由于受到地下开采扰动的影响,如何保证矿山公路的安全性是研究者们关注的焦点之一。从工程实际出发,基于三维几何建模软件和MIDAS/GTS有限元软件的结合技术,通过建立地表三维模型和矿体三维模型,构建了关于塌陷区沉降模拟的精细三维模型,开展了地下开采过程中临近塌陷区矿山公路沉降特性及其安全性的数值模拟研究。结果表明,随着地下开采强度和范围的增大,地表沉降的规模和程度都在不断增加,临近塌陷区的矿山公路及沿线边坡受到了地下采动的影响也变大;虽然总体仍保持稳定,但是在公路的局部区域存在一定的安全隐患;计算结果和实地调查的情况一致,故得到矿山公路的沉降特性规律为下一步塌陷区的安全有效处治提供了基础数据。     

基于某地铁盾构隧道施工地表沉降的分析研究

盾构法施工技术以其特有的智能、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势,在我国城市地铁建设中越来越多的得到推广和应用,但此法受工程地质条件、掘进过程人为控制等因素的影响,可能引起地表沉降。本文从盾构掘进对土体扰动而导致其平衡状态变化的角度讨论了地表沉降的机理,对盾构施工地表沉降的发展过程进行了详细的分析,最后利用轨道交通工程某号线盾构工程实际监测数据分析了地表沉降的一般规律,并提出防止地表沉降的控制措施,以期为类似工程施工提供有益的参考和帮助。     

基于随机有限元的邻近铁路地铁站基坑施工变形分析

临近铁路轨道的地铁明挖车站施工往往会对铁路的路基造成影响,干扰铁路的正常运营。由于岩土材料的空间变异性,地层扰动造成的地表变形也应视为随机量。相比传统有限元,随机有限元更适合对这类问题进行分析。以南昌市轨道交通3号线上沙沟站基坑施工为背景,首先对工程涉及的地层变形参数进行了统计分析,并通过有限元反演分析获得了弹性模量参数的分布概率模型。将概率模型应用至Monte-Carlo随机有限元,分析了基坑施工对邻近铁路轨道的变形影响,得到了铁路路基沉降的分布模型以及失效概率,为今后类似工程的变形预测以及相互作用分析提供参考。     

中国安全生产科学研究院在城市轨道交通安全方面取得一系列成果

近年来，中国安全生产科学研究院在城市轨道交通安全方面进行了大量研究，在轨道交通深埋站点火灾安全模型实验与数值模拟研究、区域地下集运系统区间防排烟设计研究、地铁突发事件下人员疏散研究、地铁安全评价等方面完成了十余项研究项目，部分成果已在广州、深圳和南京等城市的地铁中得到应用，提高了这些工程项目的安全可靠性，取得较好的社会和经济效益。主要研究领域有：城市复杂条件下浅埋暗挖大垮度地铁隧道施工引起的地表沉降和地层变形规律；地层位移与变形安全性评价模型和分析技术；开挖施工引起的地层位移与建筑物的相互作用的基础模型；     

基于流固耦合理论的阿嘎下隧道围岩位移影响分析

基于渗流理论及富水区阿嘎下隧道特点,利用有限元MIDAS GTS NX,建立出与富水区阿嘎下隧道尺寸一致的数值模拟,并在基于CRD法对隧道左右线进行同步开挖的情况下,对阿嘎下隧道进行围岩位移分析,得出在1~5 d隧道间距和0.1~0.5 d注浆圈下围岩地表沉降规律和围岩监测点的位移规律;考虑流固耦合的工况相对于未考虑流固耦合的工况下,其地表沉降更大;从不同方面对造成地表沉降的因素进行分析并得出地表沉降的实质性原因。     

地基沉降下油罐罐壁的变形分析

储罐地基沉降常引起罐壁的几何变形,严重危害储罐的运行安全。基于地基沉降的实测数据,采用有限元方法研究地基沉降下大型浮顶石油储罐的结构变形响应。有限元模型中,综合考虑了环墙式地基、加强圈及肋板、抗风圈及支撑、包边角钢等实际结构,以及材料特性对罐壁变形的影响。采用Fourier级数将储罐地基沉降的实测离散数据拟合为若干阶谐波组合的形式,模拟地基单次谐波沉降对罐壁变形的影响,在此基础上,提出地基组合谐波沉降在最高液位下引起的罐壁径向变形公式,并与有限元仿真计算结果进行对比,结果表明,两者吻合较好,此拟合公式可普遍用于工程实践中10×10~4m~3大型储罐地基沉降引起的罐壁变形计算,评估在役储罐的运行安全。     

软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究*

为准确掌握大口径管道的轴向应力应变状态,保障管道的安全运行,通过假定4类不同形式的软土沉降位移,研究不同沉降形式对管道轴向应力状态的影响。采用非线性有限元方法建立管道轴向应力应变参数化数值计算模型,开展影响因素分析。结果表明:针对软土沉降位移作用下1 422 mm X80大口径管道,沉降量相同时,突变型位移载荷作用下管道受到的轴向应力最大,最大轴向应力位于两侧非沉降区距管道中心约53 m处;软土沉降量达到工程实际中可能的最大值1 m时,大口径X80管道内轴向应力小于0.9倍管材屈服强度,管道环焊缝可以采用基于应力的工程适用性评估方法开展ECA(Engineering Critical Assessment)评价。     

基于谐波沉降的管道力学分析*

为避免地面沉降引发的油气管道事故，研究沉降管道的力学特性，提出基于谐波沉降的管道力学评估方法。以中国石化某沉降管道为研究对象，通过现场测量的方法获得沉降区管道高程，利用傅里叶级数展开对不均匀沉降数据进行处理分析，获得管道谐波沉降的拟合函数。建立ANSYS有限元模型，采用土弹簧模型模拟非沉降区管道与土体相互作用关系，将谐波沉降作为位移载荷施加到沉降区管道，对含内压管道的沉降进行数值模拟，分析其应力、应变分布规律。结果表明:沉降与非沉降交界处管道应变及应力最大，基于应变的评估准则，管道运行状态为安全，为应急响应提供支撑。     

交通荷载作用下超浅埋隧道洞口段变形及控制研究*

为研究交通荷载作用下超浅埋隧道施工的安全性及其控制方法,利用功效系数法分析隧道施工时的风险程度,结合有限元软件模拟交通荷载作用下隧道的变形特征,并探究不同开挖方法及支护条件下隧道变形情况,最后与现场实际监测数据进行对比。研究结果表明:交通荷载对隧道施工影响较大,施工时应采取管制措施;隧道下穿段施工风险较大,应采用双侧壁导坑法开挖;单层大管棚加小导管注浆的超前支护措施可以保证隧道施工安全进行。     

人工冻结法调控多年冻土区桩基础地温场的效果分析*

为了解决青藏铁路运营过程中,由于多年冻土地基的升温退化,部分多年冻土区桥梁桩基础承载性能下降,产生有害沉降变形,进而造成桥梁上部结构移位破坏,甚至部分桥梁桩基础在短时间内产生较大的沉降变形这一严重问题。基于当前多年冻土区桥梁桩基础沉降病害快速抢修技术空缺,提出人工冻结技术处置多年冻土区桥梁桩基础沉降病害的新设想,利用数值软件建立冻结管-桩基础三维模型分析该技术的可行性与调控效果,分析冻结参数、场地冻土条件等对冻结效果的影响。研究结果表明:人工冻结法可以快速降低桩周多年冻土温度;同时,冻结96 h可以对桩基地温场起到较好的冷却效果;冻结管至桩的距离对冻结效果的影响最为显著,冻土的含冰量越大,则降温速率越慢。     

堆载作用下埋地管道应力影响因素及失效荷载研究*

为探究地面堆载导致埋地油气管道失效的事故影响因素,通过对管道在堆载作用下的工程案例进行概化,以X70管道为研究对象,采用有限元软件建立管道在堆载作用下的三维模型,采用理论计算验证模型的可行性,开展管道应力与变形分析,探讨不同的堆载强度、管道埋设深度、下卧层土体杨氏模量、管道内压与堆载偏移距离对管道应力的影响,同时开展多因素耦合研究。研究结果表明:深埋管道会促进附加应力向两端扩散,管道中心部位以外的应力值呈现为深埋＞浅埋;当下卧层杨氏模量大于20 MPa后,管道偏于安全;内压在0~2 MPa时,可以抵消部分堆载对管道的影响,内压大于2 MPa后,管道应力整体增大,此时管道应力由内压主导;得到不同管道埋深与不同下卧层土体杨氏模量耦合工况下X70管道失效时的堆载强度。研究结果可为埋地管道在堆载作用下的安全防护问题提供参考。     

盾构切削桩引起的桩基承载特性变化及可行性研究*

为分析兰州地铁盾构隧道穿越既有桥梁工程方案的可行性,采用有限元数值模拟,研究盾构施工切削桩引起的桩基承载特性变化,分析盾构切削桩基前后桩体轴力、侧摩阻力和弯矩变化,探讨地表及桩基的位移变化。结果表明:直接切削桩将导致桩顶荷载重分布,隧道两侧1,4号桩桩顶荷载增大且增大19.3%~26.7%,而切断桩荷载减小且减小25.5%~29.2%;桩土相对位移随着盾构掘进而增大,促使基桩侧摩阻力的发挥整体呈增强趋势;各基桩弯矩均增大,致使桩基在桩顶以下4 m及隧道中心平面附近存在2个不利截面,各基桩最大弯矩增大2.0~5.2倍;直接切削桩将导致地表、基桩沉降激增,从而导致水平位移增大,致使承台由初始受力状态时的整体沉降变为挠曲变形为主,最大相对沉降达到5.01 mm,超过控制限值。可见,直接切削桩对既有桥梁桩基的承载特性影响显著,此方案不可行,应在盾构施工前采取加固措施。该研究结果可为类似工程提供参考。     

新管幕法下穿铁路既有线施工地表沉降监测

为避免新管幕法下穿铁路既有线施工所导致的轨面不平、列车晃车等铁路运营事故,以太原市迎泽大街下穿火车站通道工程为施工背景,考虑火车站内强电磁干扰环境对传统电磁、电容式传感器的影响,选用合适的光纤光栅传感器对地表沉降进行监测,设计了监测方案并搭建了监测系统,获得了施工引起的地表沉降数据,并用数值模拟方法研究了土体沉降,获得了地表横向距离沉降规律,对比论证了该监测技术的正确性和有效性。监测和计算结果表明,新管幕法施工引起的地表沉降呈漏斗状,中间大两头小,监测断面的最大沉降值为21.2 mm,在施工安全范围内。     

长输管道凹陷提压回圆评价方法

为了解决长输管道深凹陷所导致的清管器及内检测器难以通过的工程问题,基于局部提高管道内压可使凹陷回圆、深度减小以达到清管器或检测器可通过深度门槛值的思想,建立了内压作用下管道凹陷回圆过程非线性有限元模型;提出了管道凹陷回圆系数的定义;通过应力应变响应分析对凹陷回圆过程的安全性进行论证;对回圆系数的影响因素进行分析,探讨径厚比、管材、凹陷尺寸、初始内压、回圆压力等参数对回圆系数的影响;基于有限元计算算例,采用非线性回归的方法拟合了凹陷回圆系数工程计算公式。研究结果表明:在极限回圆压力工况下,凹陷回圆过程中管道未发生二次塑性损伤;误差分析显示拟合所得公式预测精度较好,可用于长输管道凹陷的回圆评价。