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。     

桩基础影响下既有地铁隧道截面内力计算研究∗

城市已建地铁隧道的保护是目前市政建设中需要考虑的重要问题之一,针对非挤土桩和挤土桩两种桩型新建桩基础影响下既有地铁隧道的截面内力计算展开研究。采用"二阶段"法研究思想,首先基于桩基础荷载传递法、Mindlin位移解及柱孔扩张理论,分别计算得到非挤土桩和挤土桩在隧道截面位置处产生的土体位移。之后,将隧道衬砌简化为环形弹性地基梁模型,同时考虑土体抗力的影响,并将土体位移施加到环形地基梁模型,从而得到2种桩型引起的隧道衬砌截面的内力分布。研究过程中将理论结果与既有土工离心机试验进行了对比分析。研究结果表明:①计算方法得到的衬砌内力与既有文献土工离心式试验值差别不大且趋势一致,验证了计算方法的合理性;②挤土桩施工引起的隧道弯矩最大值增量远大于非挤土桩在极限荷载时的增量;③隧道截面弯矩最大值位置与桩端-隧道圆心相对位置有直接关系,大约位于桩端-隧道圆心连线相交处。     

拱形双排隔离桩对既有隧道的保护效果研究

采用隔离桩来保护邻近基坑的既有隧道是工程中常用方法,目前隔离桩平面排列形式多采用传统的矩形行列式。以杭州市某房建地下室基坑工程为例,提出由直线形排桩和弧形排桩组成的拱形双排隔离桩及相应的优化方案,采用ABAQUS有限元软件建立三维模型,研究了隔离桩中心距、桩半径、平面位置以及弧形排桩曲率半径等因素对隔离效果的影响,并与实测结果进行对比。结果表明:隧道衬砌总位移存在最大值和最小值,隧道衬砌总位移最大值点位于拱底,最小值点位于拱顶,隧道衬砌整体呈现出沉降的趋势。减小隔离桩中心距或增大隔离桩半径均可减小隧道衬砌的位移,拱形双排隔离桩的保护效果优于传统形式;将拱形双排隔离桩设在距基坑10 m处,并将弧形排桩设在隧道一侧更合理;弧形排桩曲率半径对隧道保护效果存在合理值;采用优化方案时隧道位移比原方案减小45.7%,隧道更趋于安全。     

下穿隧道对地铁车站结构地震反应的影响研究*

针对下穿隧道对临近地铁车站地震反应的影响问题,本文采用数值模拟方法,基于 ABAQUS 平台建立了隧道下穿大开地铁车站的整体三维非线性数值分析模型,通过改变地震动类型和隧道与车站结构的交叉净距,从结构构件的破坏比和竖向变形等角度,定量分析了不同工况下隧道下穿对车站结构地震反应的影响,并与单体大开车站原型结构的地震反应进行了对比。研究表明：下穿隧道会增大地铁车站结构中柱和侧墙的破坏比(相应的最大增幅：中柱为 35%,侧墙为 26%);同时,底板的竖向变形显著增大,最大增幅达到 100%;随着交叉净距的增大, 中柱和侧墙地震反应减小,而底板竖向沉降有所增大;下穿隧道对车站结构地震反应的影响范围约为隧道直径的 3 倍。研究成果对隧道近距离穿越地铁车站结构的设计与分析具有一定的参考价值。     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

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。     

隧道洞口滑坡工程地质问题与变形机理研究

以拉林高等级公路控制性工程为松多隧道为研究对象,在详细分析隧道进出口隧道-滑坡体系工程地质问题的基础上,利用数值仿真方法,对隧道进出口滑坡在隧道施工和暴雨情况下的稳定性进行重点研究。其结果表明:隧道施工、暴雨和地震活动对松多隧道进出口段滑坡稳定性有较大影响,将导致滑坡由目前稳定状态逐渐发展成欠稳定状态。由于隧道右洞和左洞分别位于碎石层和基岩中,导致隧道左洞和右洞稳定性存在较大差异,其中右洞卸荷能力强,变形破坏程度高;左洞应力集中现象明显,围岩自稳能力强。     

浅埋衬砌隧道-邻近建筑地震动力相互作用IBEM模拟

采用高精度间接边界元方法(IBEM)考察地震波入射下隧道-邻近建筑物二维地震动力相互作用的规律。结果表明:建筑物与邻近隧道存在着明显的相互作用,整体动力反应规律取决于隧道,建筑物之间的空间位置关系、隧道埋深、入射波的频率和角度等因素。隧道位于建筑物正下方时,刚性衬砌隧道(相对围岩)对上部结构主要表现为隔震效应;隧道位于建筑物两侧时,隧道对建筑顶部位移有明显放大效应,最大可放大约40%。同时隧道应力也明显增大,最大可放大约43%。因此实际中需根据隧道-建筑物的空间位置关系,适当调整衬砌隧道与沿线建筑物的抗震设防水平。     

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。     

新建隧道上穿既有隧道引起的剪切错台变形研究

采用剪切错台模型,研究新建盾构隧道上穿对下方既有地铁盾构隧道的影响。考虑新建隧道上穿时刀盘附加推力、盾壳摩擦力、注浆附加压力以及土体损失在既有隧道轴线处产生的附加应力,将既有盾构隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理并采用合理的位移试函数,建立计算方程来求解既有隧道的竖向位移值、盾构环之间的错台量以及环间剪切力值,同时对相关参数采用控制变量的方式研究其对既有隧道的影响。研究结果表明:本文方法计算得到的既有盾构隧道竖向隆起值与实测值较为吻合;既有盾构隧道竖向位移最大值处的隧道错台量接近0,在竖向位移曲线的反弯点处隧道错台量和环间剪切力值最大;随着新建隧道的掘进,既有隧道的竖向位移、错台量和环间剪力值不断增大,最后趋于稳定;两隧道的轴线交角越小,既有隧道的竖向位移值就越大;两隧道的净距减小时,既有隧道的隆起变形会更加明显。     

Rayleigh波入射下建筑群-隧道群相互作用特性研究∗

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),研究了 Rayleigh 波入射下地上建筑群?地铁隧道群的动力响应。研究发现：地上建筑群与邻近地铁隧道群之间存在显著的相互作用,系统响应规律与入射波的频率、建筑物的数量与高度、隧道数量和位置等因素密切相关。参数分析表明：考虑不同因素影响后,地面运动幅值最大可放大约 25%。 当入射波频率较低时,地上建筑群结构顶部位移幅值会较单一建筑顶部位移幅值显著降低,这尤其体现在位于建筑群中部的建筑响应中,最大可降低约 88%;当入射波频率较大时,这一现象变得不再明显。高频入射波作用下, 地上建筑群与地铁隧道群的相互作用会使隧道衬砌产生较大环向应力,其峰值可较单一地上建筑的情况放大约 60%。     

基坑外设置隔离桩对土体水平位移的隔断效果分析

目前对于隔离桩是否能有效减小基坑外地下结构的变形问题仍存在争议。为研究隔离桩对基坑开挖引起的土体水平位移的隔断效果,结合二阶段分析方法及地层补偿法,提出了求解基坑开挖后隔离桩外土体位移的三阶段分析方法,并对其合理性进行了验证。结果表明:基于该方法的计算,不同基坑开挖深度和不同围护墙变形模式下,隔离桩的存在可减小坑外地坪下一定深度范围内的土体水平位移,但可能增大深层土体水平位移;隔离桩刚度越大,对土体上部水平向位移的隔离效果越好,但同时深层土层位移增大的情况也越明显;合理的隔离桩桩顶埋深可一定程度减小隔离桩对深层土体的牵引作用。为保护基坑外的地下结构而设置隔离桩时,应根据模拟计算结果、工程实际情况及当地经验综合分析其可行性。     

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。     

桩基础荷载对近接隧道影响的数值分析

为研究某拟建桥梁的桩基对近接沪昆高铁山岚桥隧道可能产生的影响,利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维实体模型,分别以桩隧水平净距,桩长和桩基布置位置为基本变化参数进行模拟分析,结果表明:隧道拱腰两侧布置桩基时,隧道中段拱顶竖向位移、拱腰水平位移与桩长及桩隧间距成反比;桩基平面处隧道拱底、拱腰竖向位移随桩长的增大而先增大后减小,在桩长与拱腰深度相等时,拱腰竖向位移达到最大,在桩长与拱底深度相等时,拱底竖向位移达到最大;在隧道横截面的单侧布桩时会出现与双侧布桩时不同的非协调变形,近桩侧隧道的竖向位移要明显大于远桩侧的;以桩隧净距(S)为一倍桩径(1d)为基准,桩基荷载对隧道的影响分区可划分为S4d的强影响区,4dS12d的一般影响区和S12d的弱影响区。研究结果对于相似工况隧道工程的安全稳定有借鉴意义。     

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。     

盾构施工对不同刚度桩体影响的数值分析

针对苏州轻轨一号线盾构隧道的施工情况,采用三维有限元数值模型,研究了盾构施工对不同刚度桩体的影响.计算结果表明:当盾构施工时,不同刚度桩体均偏向隧道移动,在隧道轴线处的横向位移均为最大.桩身横向位移最大值、竖向位移随桩体刚度增大而变小,桩身轴力、弯矩则随桩体刚度增大而逐渐增大,桩身最大负弯矩均出现在隧道轴线位置处.在盾...     

穿越活动断层隧道抗减震措施及适应性研究

依托格巧高速某穿越活动断层公路隧道,建立了考虑隧道-围岩-断层相互作用的三维地震响应计算模型,研究了设置减震层、减震缝、柔性接头等单一措施和组合措施下的隧道结构地震响应规律,探讨抗减震措施的减震效果及适用性。结果表明：横向地震作用下,3种单一减震措施均能有效降低衬砌结构的地震损伤,但不同措施的减震效果有所差异。采取减震层时,减小了整个结构地震响应,降低了结构在断层区域的应力集中程度。采取减震缝、柔性接头时,明显减小了损伤分布范围,起到了隔断衬砌损伤蔓延的作用,但局部损伤值降低不明显。组合措施下,结构的拉、压损伤分布特征与单一措施下的相似,但进一步限制了地震动及断层错动对隧道结构损伤的影响范围。地震动强度和地震波入射方向对结构地震损伤有重要影响。随着地震动强度的增大,衬砌损伤范围迅速增大,损伤严重程度急剧增加。地震波入射方向对结构地震损伤的影响由小到大依次为：竖向、横向、斜向和纵向地震动。组合减震措施对竖向地震动的适用性好,而对纵向地震动的适用性差,采取的抗减震措施需要考虑地震动入射方向。所得结论可为高烈度区穿越活动断层隧道抗减震提供参考。     

海洋平台桩腿周围局部冲刷及其对基础承载力的影响∗

在海洋平台桩靴基础安装施工过程中,容易发生穿透现象而导致破坏。业界建议可通过在桩靴周边加设向上的袖结构来抑制贯入时周围土体的回流,从而缓解穿透破坏。但这种袖结构的存在会导致局部冲刷,形成的冲刷坑会减小桩靴有效埋深,进而影响其使用期的承载力。通过一系列水槽试验,探讨了不同形式桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对于冲刷坑形状的影响,进而开展了考虑冲刷坑影响的桩靴基础承载力数值计算,并与忽略最大冲刷深度以上土体的传统模型、假设冲刷坑为倒圆台状的简化模型计算结果进行了对比。主要研究结果如下：（1）加设圆形袖结构的桩腿引起的冲刷深度要比方形袖结构桩腿小,建议工程中采用面积比较小的圆形袖结构来缓解穿透破坏;（2）桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对冲刷坑形状都存在影响。最大冲刷深度随着开孔率的增大而减小,当开孔率较大时,冲刷现象近似于群桩冲刷,出现随着冲刷角度的增大冲刷深度先增大后减小的现象;（3）当考虑冲刷坑对于桩靴承载力的影响时,简化模型能够合理反映冲刷坑对于桩靴基础承载力的影响。     

上海软土地铁隧道沉降及横向收敛变形的原因分析及典型特征

软土地区盾构法隧道变形主要包括纵向不均匀沉降和横向收敛变形。当纵向沉降累计变形、不均匀变形坡度以及变形速率等达到一定程度,横向水平直径相对标准圆变化量超过一定数值,就会引起隧道结构受力的安全问题。上海地铁自1995年1号线开通后,针对地下线路每年2次沉降监测,高架区间每年1次沉降监测,自2011年全路网地下隧道每年1次横向收敛监测,积累了大量宝贵的实测数据。对上海地铁隧道近25年的变形数据进行分析,总结了隧道纵向不均匀沉降原因及典型特征。对四种隧道横向收敛变形的分析方法和结论进行对比,总结横向收敛变形的特征。可为类似软土地质条件的城市地铁隧道结构设计、施工及运营期维护保障提供参考,减小结构破坏风险,保障城市地铁运营安全。     

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。