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。     

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。     

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。     

某基坑支护结构中双排桩的设计与应用北大核心CSCD

在工程实践中,基坑开挖深度越来越大,导致土体和周围建筑对于支护结构的变形要求较高,因此双排桩支护广泛应用于深基坑支护结构中。双排桩支护结构形式选择以及前后排桩的间距、桩顶点位移的控制、冠梁的大小等仍是设计的难点。结合合肥某基坑工程实例,运用有限元软件ABAQUS建立双排桩支护结构三维模型,通过有限元分析,研究了开挖深度、排距、结构形式等因素对双排桩受力与变形的影响,并将变形分析结果与实测结果进行比较,两者接近,实测位移量满足相关要求,施工过程证明该支护效果良好。     

某基坑支护结构中双排桩的设计与应用

在工程实践中,基坑开挖深度越来越大,导致土体和周围建筑对于支护结构的变形要求较高,因此双排桩支护广泛应用于深基坑支护结构中。双排桩支护结构形式选择以及前后排桩的间距、桩顶点位移的控制、冠梁的大小等仍是设计的难点。结合合肥某基坑工程实例,运用有限元软件ABAQUS建立双排桩支护结构三维模型,通过有限元分析,研究了开挖深度、排距、结构形式等因素对双排桩受力与变形的影响,并将变形分析结果与实测结果进行比较,两者接近,实测位移量满足相关要求,施工过程证明该支护效果良好。     

不同桩芯微型桩抗弯承载力试验研究∗

为研究不同桩芯微型桩在隧道洞口不良地质边坡中的治理效果,拟对钢筋-混凝土、工字钢-混凝土、钢管-钢筋-混凝土、钢管-工字钢-混凝土微型桩开展抗弯极限承载力试验。研究表明,工字钢-混凝土微型桩相比钢筋-混凝土微型桩极限抗弯承载力不仅大幅度提升,其抵抗位移变形的能力也有所增加。钢筋-混凝土微型桩和工字钢-混凝土微型桩桩径由140 mm变化到203 mm,韧性分别提高25%、50%,抗弯承载力分别提高89%、91%。钢管微型桩的韧度、极限抗弯承载力都明显强于裸露混凝土桩,即使变形已非常显著,仍能继续受力。钢管-钢筋-混凝土微型桩、钢管-工字钢-混凝土微型桩桩径由140 mm变化到203 mm,抗弯承载力分别提高近256%、265%。     

盾构隧道开挖对邻近桩基三维影响试验研究∗

参考清华园隧道盾构段全线近距离侧穿北京地铁 13 号线桩基的工程背景建立试验模型,开展卵石地层中盾构施工对邻近桩基三维扰动特征研究。试验模型中共布置 5 根模型桩(1#~5#桩)。以 1#桩为例分析了盾构掘进过程对桩基的三维影响特征,发现附加弯矩主要产生在刀盘距桩基-0.5D 至 0D 阶段,横向弯矩最大值是纵向弯矩最大值的 2 倍;附加轴力主要产生在-0.5D 至 1.5D 阶段,桩顶附加沉降主要产生在-1D 至 1D 阶段,桩端附加承载力在-0.5D 至 2D 阶段持续增长。对比 1#、2#和 3#桩研究了桩-隧不同水平间距对桩基扰动规律的影响,发现桩基的附加沉降、附加弯矩和附加轴力均随与隧道水平距离的增大而减小,弯矩最大值的位置随着距离的增大而逐渐上移。对比 1#、4#和 5#桩分析了桩端相对竖向位置对桩基扰动规律的影响,得出桩端位于隧道拱顶的桩基的附加弯矩明显小于桩端位于中心线及拱底处桩基的附加弯矩。     

地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究∗

为研究山岭隧道洞口段在地震动力作用下对边坡变形特征及其二者之间的相互影响,以宝兰客专某黄土隧道为工程背景,开展了大比例尺的黄土隧道洞口段大型振动台模型试验,输入不同类型的地震动参数,分析在地震动力作用下黄土隧道洞口段的动力响应及变形破坏特征。结果表明：(1)随着地震动强度的增大,模型表观和内部经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段;(2)阿里亚斯强度(Arias Intensity)的水平与垂直分量的放大系数云图呈现颜色区域互补状态,能量衰减区集中在洞口拱顶附近的围岩,仰拱底部 1~4.50 倍洞径和拱顶 2.50~4 倍洞径围岩范围则为能量加强区;(3)不同地震波形、相同加载方向,加速度水平、垂直分量的峰值连线线形相似,个别测点的加速度峰值突出到线形之外,峰值出现时刻明显提前或滞后,说明围岩发生较大的塑性变形或破坏;(4)单向加载时,拱顶、仰拱底部围岩沿隧道进深方向的加速度放大效应基本一样,沿垂直方向的放大系数连线的台阶式变化更为明显。双向耦合加载时,拱顶、仰拱底部围岩的放大系数连线的台阶式变化都较为明显。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究∗

预应力锚固系统为核心的变形主动控制技术为隧道挤压大变形的治理开辟了新途径,作为其中协同支护的钢带,其受力特性及结构效应未明确。鉴于此,在分析钢带主要结构形式的基础上,理论分析与数值仿真结合,开展了软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究。研究结果表明：基于单跨简支梁理论,得到随钢带惯性矩增大,围岩(跨中)挠度和最大主应力均呈现“先急后缓再平”的减小趋势,以此建议软岩隧道优先采用 W 形钢带、且惯性矩＞2.92E?01cm⁴ ;通过建立“预应力锚杆+钢带”与围岩作用模型,发现较单一预应力锚杆支护,钢带协同预应力锚杆支护具有更优的围岩变形控制效果和更佳的围岩应力改善功效,同时,锚杆的受力减小,相互间也更趋均匀。     

基于大样本的强透水砂层盾构施工风险与控制研究

基于大量强透水砂层盾构施工工程事故现场调研及资料分析,建立大样本数据库并构建强透水砂层盾构施工风险事故树,以分析风险源及各自权重;基于模糊综合评价法探究强透水砂层盾构施工风险评估方法,推导出各风险因素对风险发生概率和损失的评价矩阵,从机理控制层面提出风险控制措施,并以广州某强透水砂层盾构工程实施验证。研究表明,施工风险主要为管片破裂、隧道上浮、渣土喷涌及地表塌陷等,风险发生概率与相应损失程度均可划分为5个等级。可通过加强管片拼装质量、改善上覆土层工程特性、渣土改良及装置改进等风险规避策略,有效控制施工风险,并结合风险规避、保留及转移等3种策略对地表塌陷风险进行有效控制。     

应用伺服钢支撑的邻近盾构隧道车站深基坑开挖实测分析

钢支撑轴力伺服系统作为新兴的支护体系,正逐步应用于邻近地铁隧道、周围环境复杂以及需要保护的深基坑。根据杭州某地铁超深基坑的现场监测数据,开展钢支撑轴力伺服系统对基坑开挖变形性状及邻近地铁隧道变形的控制研究。结果表明：钢支撑轴力伺服系统的应用可以使开挖阶段基坑围护结构最终位移减小率达到63%,并且在地下结构施工阶段时可以起到顶回围护结构的作用;邻近新建高楼产生的附加荷载对围护结构作用效果显著,在该条件下对钢支撑轴力伺服系统轴力调控的要求较高;普通基坑围护结构的最大水平位移对应的深度在开挖面附近,伺服钢支撑的应用会使这一深度有3～5 m左右的增加,导致其无法进行直接有效的控制;温度是伺服钢支撑轴力的最主要影响因素,每上升1℃支撑轴力会增大约20 kN;本基坑工程的开挖面位于隧道以下位置,隧道在基坑开挖阶段转向地下结构施工阶段的水平和竖向位移均有突变,总体呈现“水平拉伸,竖向收缩”的变形模式;根据文中实测数据及前人研究拟合得到伺服支撑控制下的隧道水平位移预测公式。     

紧邻隧道条件下基坑开挖变形破坏模式分析

目前基坑开挖对邻近既有隧道的影响主要集中于隧道变形及应力的变化,对于紧邻隧道条件下基坑开挖的破坏模式以及机理仍缺乏较深入的理解。研究了不同隧道埋深、不同隧道与地连墙水平间距和不同地连墙埋置深度下,在紧邻隧道情况下基坑不同计算步的破坏模式,分析了变形破坏机理及易发生破坏的开挖步。研究结果表明,潜在破坏面可分为3种形式：直线形破坏面、圆弧形破坏面、U形破坏面;随着基坑的开挖以及内支撑的建设,剪切带逐渐变为绕地连墙墙趾的深层剪切带,与隧道的交叉部分从右侧肩部逐渐向下转移到右侧腰部或右下侧近腰部;基坑破坏易发生在开挖后未设置内支撑及开挖至坑底后设置内支撑的情况下。     

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。     

地铁盾构施工土体变形与临近结构失效机理研究

地铁施工可能诱发临近结构失效,这是城市轨道交通建设安全施工与灾害防控的重点之一。基于实际典型工程,对地铁盾构施工引起的土体变形与周边结构失效机理进行研究。研究结果表明:(1)地铁盾构施工过程中,周边土体会产生显著变形,各环施工引起的土体沉降最大值为10.26cm,施工中应引起重视。(2)地铁施工引起的土体变形是诱发周边结构失效的主要原因之一,衬砌产生的最大应力为10.90 MPa,小于C50混凝土抗压强度23.1MPa,管片强度具有一定的安全储备;(3)最不利工况下,箱涵最大应力为4.62 MPa,位于混凝土箱涵与砌体箱涵交接位置,可能诱发结构开裂;(4)左线开挖完成后,进行右线开挖时,箱涵最大应力位置向隧道右线移动,箱涵结构最大应力基本稳定;(5)本文数值模拟结果与工程监测数据误差在可接受范围,能为类似工程提供参考。     

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。     

冲刷作用下两种不同直径的单桩基础循环加载特性∗

海上风电大直径单桩基础长期承受来自环境效应的循环荷载以及海床的冲刷作用,冲刷条件下的水平受荷单桩的循环加载特性是海上风电桩基础设计关注的内容。开展了砂土中大直径和小直径单桩基础冲刷条件下长期循环加载的模型试验,探讨了冲刷深度和循环加载幅值对两种基础形式长期承载变形特性的影响。试验研究表明：砂土中循环加载提高了循环后的单桩承载力,其中小直径桩循环后的水平承载力提高更为显著。冲刷导致循环后的单桩承载力下降,随着冲刷深度增加该效果越明显。在循环加载初期,小直径桩残余累积变形的增加速度小于大直径桩。循环次数大于1 000次冲刷深度为2倍桩径条件下,小直径桩的累积变形趋于稳定,大直径桩的累积变形仍继续发展。通过在无量纲循环加载幅值参数中引入冲刷深度对承载力的影响,建立了冲刷条件下两种不同直径桩基的水平循环累积位移计算模型,适用于考虑冲刷影响的单桩长期水平循环累积变形预测。     

国家速滑馆看台L形再生混凝土梁板工作性能试验

北京2022年冬奥会速滑馆项目中,场馆观众区的看台应用了L形再生混凝土梁板,混凝土再生粗骨料取代率为30%、细骨料为天然砂,混凝土设计强度等级为C45。对国家速滑馆看台L形再生混凝土梁板进行了受力性能和碳化性能研究。进行了3个足尺L形再生混凝土梁板受力性能试验,试件长度4 120 mm、总宽度1 180 mm,试件肋梁的截面宽200 mm、高498 mm,试件板的截面宽度980 mm、厚度100 mm,研究了试件在不同加载下的刚度、承载力、变形和裂缝发展情况。进行了4组再生混凝土试件3 d、7 d、14 d、28 d的碳化性能试验,每组3个试件,试件尺寸100 mm×100 mm×300 mm,研究了不同碳化天数下的碳化深度。结果表明：L形再生混凝土梁板满足工程所需的刚度、承载力要求;在合理控制再生骨料掺量的条件下再生混凝土的碳化性能与普通混凝土相差不大,可以满足其抗碳化性能的要求。     

环形阻尼结构设计及其阻尼层厚度的优化研究

模拟地铁盾构隧道结构,设计了环形自由阻尼结构和环形约束阻尼结构。通过自由梁单点激振实验,探讨了阻尼层厚度对两种结构的复合损耗因子、振动加速度级等阻尼性能的影响规律,继而优化阻尼层厚度。环形自由阻尼结构实验结果显示:当阻尼层厚度在1~7 mm范围增加时,结构振动加速度幅值比无阻尼结构分别降低了1.1%~65.6%;同时,各阶复合损耗因子及增幅均逐渐增加,振动加速度级逐渐降低。环形约束阻尼结构实验结果显示:当结构无阻尼、阻尼层厚度为1、3mm时,后者的复合损耗因子相对前者分别增加了18.75%、8.91%,而当阻尼层厚度增至3mm以上时,结构复合损耗因子变化不大。研究结果显示:环形自由阻尼结构的阻尼性能随阻尼层厚度的增加而增强,环形约束阻尼结构在阻尼层厚度为3mm时具有较好的阻尼性能。     

微型桩-锚组合抗滑新结构支挡效果的数值分析

针对微型桩加固滑坡时抗弯强度不足的缺陷,在类叉形微型桩组合结构的基础上引入预应力锚索,提出了一种微型桩-锚组合抗滑新结构。为验证其加固效果,基于斜坡应力状态变化理论,利用有限差分软件FLAC3D,分析了某边坡处于临滑状态时有无微型桩-锚结构加固的变形位移及应力分布特征。结果表明:1滑动状态下,坡体下部位移、应力水平大于上部,判断为牵引式滑坡;2新结构在布设位置产生较大局部应力集中,形成了一个结构-土空间骨架结构,在复合体系作用下滑坡体位移及中下部应力集中得到有效控制,尤其是在坡脚附近,主应力差、剪应变增量明显减小;3预应力锚索可以有效改善结构的整体受荷能力并减小桩身弯矩峰值;4该新结构轻型、环保、抗弯承载力高,可较好地满足边坡病害快速治理工程的需要。