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。     

考虑多因素的双线水平平行盾构施工引起地表隆陷研究

对双线水平平行盾构施工引起的三维地表隆陷计算方法进行研究。考虑正面附加推力、盾壳与土体的摩擦力、注浆压力和土体损失的共同作用,基于先、后行隧道地表隆陷的叠加原理和相互影响,求解得到双线盾构施工引起的总的三维地表隆陷,该方法适用于施工阶段。考虑两条隧道轴线间距J和先行、后行隧道开挖面前后距离K改变的影响。结果表明:本文方法预测值与实测值比较吻合;减小K值,地表纵向沉降曲线形状逐渐由阶梯型转变成S型,最大地表沉降量和隆起量均有所增加;增大J值,地表横向沉降曲线形状由V型缓慢转变成W型,最大地表沉降量逐渐减小。     

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。     

西安地铁双线隧道地表沉降预测模型研究

针对西安地铁留核心土、上下半洞开挖、超前小导管注浆加固与水平钢撑锁脚的钢拱架和挂网喷层支护的饱和黄土隧道,根据现场地面沉降监测数据,分析了隧道右线、左线掌子面间隔30m开挖过程中洞顶地表沉降变形的历时变化规律,以及左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽的分布特征.结果表明,洞顶地表沉降变形可以划分为初期沉降变形、右线开挖主变形...     

海相结构性软黏土地基的沉降特性研究

通过室内试验获得了海相结构性软黏土的初始屈服面;考虑不同埋深处地基土的初始结构屈服面之间的相似性规律,应用结构性本构模型,结合工程实测数据,对海相软黏土地基土体屈服与地基沉降之间的关系进行了研究。结果表明,结构性本构模型能够较好地模拟海相结构性软黏土地基的沉降变形;结构性土地基的土体屈服是由浅及深逐步发展的,虽然存在低荷载时沉降小、高荷载时沉降大且呈非线性增大的现象,但这是渐变的过程,沉降量—时间—填土高度曲线上不能确定显著的转折点,通过观察沉降曲线的转折点来确定临界填土高度的方法将难以实现。     

上埋式管道穿越高填方填挖结合部位的受力状态研究

以延安新区黄土高填方工程中的上埋式排水管道为原型,开展了相似比为1:2的室内试验,试验前在模型箱底部一定位置预设沉降底板模拟实际填方的工后沉降过程,在试验土体和管道中布设压力盒、位移计和应变片,以采集试验过程中的管土接触压力、管-土相对位移和管道应变等数据。研究表明,负土拱效应对管道的上部压力影响明显,竖向压力系数最大达3.4,与沉降量的关系符合三次多项式曲线,负土拱效应对管道的影响不可忽略。开挖纵向剖面后发现管道下部土层间出现明显的脱空裂缝,是管道下部管-土接触压力减小的原因。该成果为黄土高填方场地中管周土压力的计算、管道变形控制提供参考。     

厚冲积地层盾构掘进参数设定及地表变形规律研究

盾构掘进参数与地质条件密切相关,在厚冲积黄-黏土层中掘进参数计算及地表变形规律具有显著的地异性特征。通过统计分析济南轨道交通R1线直径6.68m盾构隧道现场实测数据,明确了盾构掘进参数设定范围和修正计算公式,探究了掘进参数间相关性及其对地表变形的影响规律。研究结果表明:盾构总推力、刀盘扭矩、土仓压力的理论计算修正系数分别为0.677~0.753、0.882~1.260、0.985~1.641;同步注浆量、出土量与掘进速度呈较强线性相关;盾构掘进参数对地表变形规律影响显著,最大地表沉降量及地层损失率随土仓压力的减小而增大,随掘进速度增大呈二次函数递减,随同步注浆率增大呈线性递减。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。针对重塑非饱和砂土、粉土、黏土和软土,结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了土体在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比的关系;运用固结曲线分析了土体在经受净平均应力下的变形特性。基于试验结果,根据Fredlund弹性体变本构模型估算了不同的地下水位降低情况时非饱和土区域的沉降量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区域的沉降量是不可忽略的,随着地下水位的降低,非饱和土区域的沉降量在总沉降量中所占比例逐渐增大。     

基坑开挖过程坑侧土体应力路径试验研究北大核心CSCD

随着基坑的开挖,基坑侧壁土体的竖向应力不变而侧向应力减小,侧壁土压力由静止土压力逐步向主动土压力变化。基于基坑开挖前、开挖过程及支护结构作用后坑侧土体的应力变化情况,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K0固结不排水剪切试验、K0固结侧向卸荷试验和不等压固结侧向卸荷不排水剪切试验等多种室内试验,对比分析了不同应力路径条件下土体的应力应变曲线、抗剪强度及孔隙水压力变化特征,总结了基坑开挖过程复杂应力路径下土体的应力应变特征及强度特性。     

盾构隧道邻近地下连续墙围护结构施工影响研究

通过室内模型试验分析研究了城市中盾构隧道施工对邻近基坑围护结构及其周边砂土地面沉降的影响效应。研究结果表明:基坑围护结构对其周边由盾构施工诱发的砂土地面沉降存在一定的约束作用,且围护结构角部对周边砂土地面沉降具有更强的约束作用;盾构开挖面到达监测断面将诱发处较大增幅的地下连续墙墙身附加应变及其周边砂土地面沉降,而当开挖面超过监测断面约1.7D,地下连续墙墙身附加应变及其旁侧的砂土地面沉降将趋于稳定;盾构动态穿越施工将导致邻近侧向地下连续墙角部墙身底部与中段墙身中部出现较为明显朝向隧道的弯曲变形。试验结果揭示了盾构动态穿越施工导致的邻近侧向地下连续墙基坑围护结构弯曲变形规律,有利于对地下连续墙围护结构采取有针对性的加固保护措施。     

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。     

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。     

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。     

城市中心地带地铁深基坑开挖对周边环境影响实测分析

为研究在城市中心地带开挖地铁深基坑对邻近高架桥墩、复杂市政管线等周边环境的影响特征,以厦门轨道交通1号线城市广场站深基坑工程为例,通过对围护桩沿深度的水平位移、内支撑的轴力、坑外地下水位的变化、坑外地表沉降、周边地下管线沉降、邻近高架桥桥墩基础的沉降等进行现场监测,得出了一些有价值的结论。监测表明:桩身水平位移曲线呈典型的"内凸型";第一道钢筋混凝土支撑轴力最大,距底板最近的第四道钢支撑轴力最小;地表沉降呈现凹槽形和三角形两种沉降形态,表现出了非对称性,在坑内施作底板之后地表沉降趋于收敛;受基坑开挖影响最大的管线并不一定是距离基坑最近的,其变形量受到坑外地表沉降槽形状及最大沉降位置的影响,同时也与截面尺寸、材质、刚度等有关。高架桥桥墩基础受基坑开挖扰动较小,变化很小。