区间盾构隧道联络道施工对隧道结构和周围地层安全性影响的研究

在建成的区间盾构隧道基础上,采用矿山法构筑联络通道是地铁工程施工的难点。由于盾构隧道联络通道的施工需要拆除区间隧道的部分管片,极易导致盾构管片发生过大的变形,使得隧道结构受损。笔者采用3DFLAC数值分析软件对区间盾构隧道之间的联络道施工进行了三维弹塑性仿真分析,分析了联络道施工对盾构隧道变形、盾构管片受力及联络通道地表沉降的影响,数值模拟得出的结论为制定施工辅助安全措施提供了依据。     

超小净距近接交叉隧道施工安全性研究

为保证超小净距近接交叉隧道施工安全,以盘道岭隧道交叉施工段为研究对象,提出交叉隧道施工优化支护方案。基于超前地质预报方法和围岩地质评级系统,提出交叉隧道节理岩体的地质强度指标(GSI)。采用Hoek-Brown强度准则峰后应变软化模型及数值计算方法,研究下行隧道施工过程中围岩位移场的变化特性。结果表明:数值计算得到的下行隧道拱顶变形量与现场实测结果相吻合;根据现场实测数据分析下行隧道拱顶下沉量和支护压力的相互作用关系可知,用优化支护方案能够保证交叉隧道施工的安全稳定性,数值计算能反映现场的实际情况。     

大直径泥水盾构始发段掘进对近接既有地铁桥梁的影响分析*

为了在大直径盾构泥水始发段保障邻近既有地铁桥梁结构的安全性和正常营运,依托京张高铁清华园隧道3#~2#盾构区间始发段施工工程,采用有限元方法建立三维精细化数值模型,分析始发段大直径盾构掘进引起邻近桥梁结构的变形规律,并给出有针对性的防护措施。研究结果表明:在大直径盾构始发施工时,在不采取防护措施的情况下,盾构工程对邻近桥梁结构产生较大的影响;盾构掘进引起的桥梁结构水平横向位移要远大于水平纵向位移,近隧道侧的桩基和桥墩的变形均大于远隧道侧;应在盾构临近和远离2个阶段注意对邻近桥梁采取防护措施。综合运用地层加固、阻隔防护、动态监测等技术,可有效对桥梁结构进行防护,研究结果可为今后类似工程提供可靠的参考。     

未确知测度理论在盾构下穿既有隧道安全风险评价中的应用

盾构下穿既有隧道工程施工通常存在较大风险,为了对风险等级做出准确有效的评价,提出了基于未确知测度理论的盾构下穿既有隧道安全风险评价模型。首先,通过对相关规范和现有文献的研究,并结合盾构下穿隧道施工的特点,构建了盾构下穿既有隧道安全风险评价指标体系,包括盾构掘进参数、新建隧道条件、既有隧道条件、地质条件和施工管理条件5个一级指标,以及掘进速度、掘进推力、注浆压力等19个二级指标;其次,将综合安全风险划分为5个等级,并明确了各指标的等级划分标准;然后基于熵权-未确知测度理论构建盾构下穿既有隧道安全风险评价模型,采用熵权法确定指标权重,根据未确知测度理论构建各指标的单指标未确知测度函数,将各指标数据值代入单指标未确知测度函数中得到单指标测度评价矩阵,结合指标权重和单指标测度评价矩阵计算得到多指标测度评价向量,依照置信度准则确定安全风险等级;最后,将提出的模型应用于实际盾构下穿既有隧道工程中,对其进行安全风险等级评价。结果表明,模型评价结果与实际风险等级一致,并通过与模糊层析分析法对比验证了所提模型应用于工程实践的有效性,研究结果可为实际施工安全管理提供决策支持。     

考虑注浆结石体影响的隧道管片上浮理论解析*

为掌握隧道管片在浆液结石体包裹下的上浮变形规律,通过研究圆管抗弯刚度,将浆液结石体与隧道管片形成的圆管组合梁转变为3层叠加组合梁;基于Girhammar 2层叠加组合梁理论与微单元力学分析,推导出考虑层间滑移效应3层组合梁等效抗弯刚度公式,进而采用温克勒弹性地基条件建立隧道管片上浮力学模型;结合工程实例,对比力学模型理论解析、实测数据和数值计算结果,并进行参数灵敏性分析。研究结果表明:力学模型理论解析、实测数据和数值计算结果吻合度较高,表明力学模型有效;浆液结石体留存厚度的增加可以有效降低隧道结构承受的弯矩,提高隧道结构安全性能;随着隧道两端约束的传递衰减,隧道上浮跨度超过140 m后,隧道变形最大值基本达到稳定。研究结果可用于预测隧道管片的上浮变形,并为隧道变形控制提供依据,促进隧道病害的安全治理。     

考虑地层蠕变特性的盾构隧道施工对邻近桥桩影响和保护措施*

为探讨地层蠕变特性盾构隧道施工对邻近桥桩变形影响,基于Burgers模型建立本构数值模型,并采用FLAC3D软件进行计算。结果表明:盾构隧道贯通后,邻近桥梁承台基础变形持续增加,变形趋于稳定至少需要1 a时间,且累计变形值将超过桥梁桩基础允许变形值;提出隔离桩和盾构隧道周围地层注浆加固2种保护措施。研究结果可为评估盾构隧道施工对邻近桥桩影响程度和制定邻近桥桩保护措施提供参考。     

基于理想点法的盾构隧道管片上浮致伤诊断

为定量化评估盾构隧道施工过程中管片上浮给隧道造成的损伤,作者提出将常见的损伤分为管片间变形、管片裂缝、管片表面剥落、沉降、渗漏水、断面整体变形、螺栓受到过大剪力以及管片受到过大水土压力等8大类。采用相关系数法选取15个底层指标,建立管片上浮致伤诊断指标体系。通过模糊变换对全部底层指标进行量纲一化处理,结合提出的融合赋权方法,构建管片上浮致伤诊断模型。最后,基于理想点法对中国湖南某盾构隧道管片上浮致伤情况进行诊断研究。结果表明,模型能有效评估管片上浮对隧道造成的损伤,诊断结果与工程实际情况及专家论证结果基本相符。     

均匀火灾温场下隧道管片受力分析

对于以盾构方式修建的地铁,其隧道管片是主要的受力构件。在以热辐射为主的火灾中,会形成比较均匀的温度场。由于管片受热均匀,整周管片内部将产生均匀的热力荷载,加之地应力荷载使其应力分布更为复杂。使用FLAC3D模拟在以热辐射为主的火灾中,管片应力分布和变化特征。根据温度不同材料性质不同的客观事实,在模拟过程中随温度升高实时调整材料参数,使模拟结果更加准确。分析结果表明:最大水平压力上升比较快,1000℃时其比最大竖向压力大30%。最大值的位置分别对称于经过隧道轴线的水平和竖直面。总位移在400℃后明显增加,最大位移一般在隧道左右两侧。     

小直径深层排水隧道盾构施工安全风险评价

为识别小直径深层排水隧道盾构施工安全风险,准确评价施工安全风险等级,提出基于危险与可操作性分析(HAZOP)的风险识别方法和基于粗糙集和云模型的风险评价方法。基于HAZOP方法全面识别施工安全风险,并根据粗糙集属性约简理论构建评价指标体系;将粗糙集与云模型结合,构建小直径深层排水隧道盾构施工安全风险评价模型;以东湖深隧工程为例,验证该模型的有效性。结果表明:该模型评价结果与实际情况基本吻合;掘进参数未及时调整、培训及考核不到位、注浆管堵塞、吊装下井设备及其零部件坠落、工程地质和水文地质情况调查不详细是小直径深层排水隧道盾构施工安全风险等级较高的因素,应重点关注并规避。     

双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究

地铁与燃气管道等高危管道均为线性工程,地铁隧道下穿管道的情况不可避免,一旦因地铁施工导致管道泄漏,后果难以承受,管道沉降值是考量其安全性的关键指标。为对双线盾构地铁隧道下穿管线安全性进行预测,采用修正的Peck公式理论方法进行计算,并与数值模拟结果相对比,研究结果表明:双线盾构地铁隧道下穿管道安全风险可控,修正Peck公式及数值模拟法均能较真实地描绘地表以下任意土层的沉降槽曲线,进而可以比较准确地计算土体竖向沉降,可作为一种用于计算隧道开挖所引起管道竖向位移的方法。     

盾构近接立交桥基础安全影响三维数值分析

为了提高盾构近距离穿越立交桥群桩基础施工中的安全性,采用有限元方法建立三维数值模型对盾构穿越群桩基础过程进行动态模拟,分析了群桩基础水平位移的变化规律以及地表受盾构影响的变形规律。结果表明:盾构掘进对桩基础水平位移影响最大,且水平位移增长过程分为盾构到达前、穿越时以及注浆阶段3个阶段,3个阶段水平位移值比例为6∶3∶1;盾构在竖直方向对桩基础水平位移的影响范围为1D（盾构直径）,水平方向为3D;此外,处于盾构左右双线之间的桥梁结构由于受到土层和桩基础沉降的双重影响,会产生较大的位移,实际施工中建议加强该区域桥梁结构的监测。     

火灾中混合温场下隧道管片受力分析

对于以盾构方式修建的地铁,其隧道管片是主要的受力构件。在实际的火灾中,管片所在的温场往往是热对流及热辐射两种形式的混合温场。不同位置管片受热不均匀,整周管片内部将产生非均匀的热力荷载,与地应力荷载共同作用使模型中的应力分布更为复杂。从热量的角度进行温场融合,分别计算每个单元在两种温场下的温度及热量,将每个单元的两种热量分别相加求得每个单元的总热量,根据总热量再反算单元温度,从而确定这个混合温场。使用FLAC3D在模拟过程中随温度升高实时调整材料参数,使模拟结果更加准确。结果表明：当温度较低（〈500℃）时混合温场中以热辐射为主的均匀温场势力较强,当温度升高（〉500℃）后以热对流为主的非均匀温场势力较强。     

郑州地区双线盾构隧道开挖对桩基础内力与位移的影响

为研究粉细砂层地区盾构隧道下穿建筑物对桩基础内力与位移的影响，以郑州粉细砂层地区盾构施工为例，采用有限元软件 MIDAS-GTS NX 建立地铁盾构隧道下穿建筑物的三维实体模型，分析盾构隧道下穿建筑物的不同阶段对桩体位移、内力的影响。结果表明:在郑州粉细砂层地区进行盾构施工时，盾构工程对桩基础底部位移的影响较大，位移最大值大多发生在桩底；盾构施工对桩身轴力的影响表现为桩身轴力最大值位于距隧道1倍洞径范围内。在进行双线盾构隧道施工时，应在临近、远离2个阶段注意工程的安全与防护问题，并采取相应的预防和保护措施。     

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。     

梁锚结构加固浅埋隧道洞口软弱地层的承载特性研究*

针对隧道洞口埋深浅且软弱围岩稳定性差这一问题,提出在地表增设混凝土框架梁,设置扩大头锚杆与框架梁连接并深入软弱围岩,运用数值模拟分析“混凝土框架梁-扩大头锚杆”结构加固软弱地层后的力学特性。研究结果表明:采用“混凝土框架梁-扩大头锚杆”加固隧道洞口软弱地层,k=0.4时,相比于没有加固对照模型,隧道最大拱顶沉降值下降68.7%,隧道最大边墙收敛值下降15.1%,初期支护最大等效应力减小12.7%;建立不同加固区围岩松动压力分散系数k下的数值模型,通过拱顶沉降结果与加固区围岩松动压力分散系数的线性拟合,提出采用加固结构后的隧道拱顶沉降规律与围岩松动压力计算方法。     

地铁大断面隧道盾构过江风险分析及数值模拟

在地铁建设过程中,常出现线路须下穿大江大河的情况,尤其在南京、广州等南方城市的地铁建设中,这种情况更为普遍。本文以南京地铁西延过江线穿越长江段为工程背景,分析了大断面单洞地铁隧道盾构施工的施工风险,并采用数值模拟的方法,对施工过程进行模拟,通过对位移、应力及渗流场的分析,研究了大断面过江施工方案的安全性。