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。     

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。     

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。     

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。     

合肥盾构地表沉降和土压力变化模型试验

盾构开挖穿越不同性质的土体时,地表沉降规律和土压力变化规律均会发生改变。以合肥地铁盾构施工为背景,采用合肥地区典型砂土和黏工作为试验材料进行模型试验,探究盾构开挖情况下两种土质的地表沉降和土压力变化规律。结果表明:与黏土相比,砂土对开挖扰动更加敏感。开挖后砂土的沉降和土压力变化较快,土体在更短的时间内恢复稳定,同时砂土模型中相邻沉降测点测得的沉降值相差较大,最终的沉降槽起伏明显。而黏土的沉降和土压力变化较慢,最终的沉降槽较平缓。对两种土质还均有如下试验结果:开挖阶段的沉降值占总沉降值的比例基本相同,四个阶段中土压力减小速度和沉降速度呈现相似的规律,最大沉降值出现在先开挖侧而最大沉降速度出现在后开挖侧。     

南昌上软下硬地层中盾构施工地表沉降的BP神经网络预测方法

盾构施工引起的地表沉降的影响因素众多,给地表沉降的计算带来较大困难,而BP神经网络能较好地建立各个影响因素与地表沉降的非线性关系。为了能得到较准确的地表沉降值,采用Miscrosoft Visual C#和Matlab编制了BP神经网络预测软件。结合盾构施工过程中影响地表沉降的地层几何条件、地层参数以及施工参数,建立了BP神经网络模型,对盾构施工引起的地表沉降进行预测。将该预测模型应用于南昌地铁工程的上软下硬地层中,同时考虑了该地层掌子面泥质粉砂岩所占的比例,并对预测值与实测值的误差进行了对比分析。最终得到的预测结果与实际沉降值较一致,表明该BP神经网络模型可用于类似的工程实践。     

软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

考虑变形缝影响的盾构隧道纵向抗震性能分析

盾构隧道通过设置变形缝可适应沿纵向的不均匀沉降和变形,但目前盾构隧道结构抗震设计尚未考虑变形缝的影响,且变形缝对盾构隧道的纵向抗震性能的影响机制尚不清晰。本文将盾构隧道简化为三维的等效梁单元,放置在粘弹性地基上,采用地基弹簧和阻尼单元模拟隧道与土体间的动力相互作用,并通过细观三维精细化模型来模拟变形缝,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的变形缝张开量和错位量等变形。综合考虑不同地震动输入方向和不同地震波频谱特性,对比分析盾构隧道有/无变形缝时的非一致地震响应特征,并对变形缝间距变化进行了参数敏感性分析,系统揭示了变形缝对盾构隧道纵向抗震性能的影响规律。分析结果表明:在隧道纵向布置变形缝能有效减小盾构隧道在地震作用下的轴力和弯矩,但随着变形缝间距的增大,减震效果显著降低。研究结论可为今后类似工程的抗震分析及变形缝设计提供指导。