地铁隧道暗挖施工引起刚性接口管线变形的理论分析

地铁施工造成邻近管线危害及其保护是一个重要问题。研究地铁隧道暗挖施工引起管线变形有助于在保证地铁暗挖施工的同时,确保管线的变形满足管线的正常使用,为地铁隧道的安全高效施工提供技术支撑。基于Winkler弹性地基梁理论模型,分别推导出与隧道轴线平行和垂直情况下的刚性接口地下管线由于隧道暗挖施工引起的变形计算公式,结果表明:隧道直径、管隧距离、沉降槽宽度系数、管径、管壁厚、管材弹性模量、下卧岩土体弹性模量、特征系数、泊松比、地层损失率等参数是管线变形的主要影响因素。以西安地铁三号线通—胡区间施工工程为例,制定了管线变形监测方案,工程实践表明理论预测公式计算结果与实际相符。     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

条形荷载下三明治形加筋土挡墙的变形特性分析∗

为了研究条形荷载作用下三明治形混合填土方式对加筋土挡墙变形特性的影响,采用 FLAC3D建立了数值计算模型,分析了三明治形加筋土挡墙的黏土弹性模量 E1、砂土弹性模量 E2、砂土厚度 d、筋材长度 L 以及荷载距面板距离 D 对挡墙变形特性的影响。结果表明：相对于加筋黏土挡墙,三明治形加筋土挡墙变形大幅减小,减少其墙顶沉降约 32%,减少面板位移约 44%;其土压力分布规律为墙后水平土压力大体上随填土深度的增加而增大;适当增大黏土弹性模量有利于减小挡墙顶面差异沉降;砂土存在一个最优弹性模量,使得面板水平位移最小;三明治形加筋土挡墙存在一个最优砂土厚度,使得三明治加筋土挡墙工作性能最佳;当 L/H≥0.7 时,继续增加筋材长度或当 D/H≥0.3 时,继续增大荷载距面板距离对挡墙影响相对较小。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

土石混合体地基系数支持向量机模型与应用∗

针对缺乏土石混合体地基系数评价模型这一现状,构建了基于支持向量机的土石混合体地基系数评价模型.该模型以土体弹性模量、泊松比以及块石含石率作为输入参数,地基系数作为输出参数.为建立训练数据,基于土石混合体弹性模量与泊松比计算模型,建立了FLAC3D平板载荷模型开展数值实验.基于数值实验数据,训练支持向量机模型并进行初步验证.将该支持向量机模型用于预测现场试验获得的土石混合体地基系数,进一步验证了该模型的合理性与准确性.通过敏感性分析发现,土体弹性模量对土石混合体地基系数的影响最大,其次为含石率.基于支持向量机模型,讨论了5种已有地基系数计算模型应用于土石混合体地基系数计算的可行性,确认了可用于评估土石混合体地基系数的显式模型.     

基于地层⁃注浆体⁃管片协同作用的海底盾构隧道受力研究∗

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。     

变质岩区强应变带工程地质特性及隧道围岩稳定性分析

变质岩区强应变带构造挤压变形明显,变质分异现象清晰,工程性质差。通过对鸡公寨隧道湖蓝坡强应变带进行调查、测试及取样试验分析,结果表明:强应变带对岩性有明显的改造作用,片状矿物含量增高,岩石强度下降,软化系数0.36~0.50,岩体完整性系数0.25~0.46,属较破碎~破碎程度,呈薄片~碎片状岩体结构;构造残余应力明显,实测侧压力系数λ为1.3~1.9,以水平应力为主导。隧道围岩稳定性差,计算的围岩变形量远超规范允许值,且构造应力影响下的变形量远大于正常自重应力工况,在隧道设计、施工时需采取针对性的控制变形措施。     

粤赣高速公路K3边坡光纤监测与数值模拟对比分析

本文采用基于FLAC3D软件的数值模拟方法,对粤赣高速公路K 3边坡工程锚杆的应力应变状态进行数值模拟,分析了全长粘结式锚杆的荷载传递机理;根据运用基于自发布里渊背向散射原理(BOTDR)的分布式光纤应变传感技术对锚杆的轴向应变进行的监测数据,分析了工程锚杆的变形特征。数值模拟与实测数据的对比分析表明,模拟曲线与监测曲线反映的工程锚杆的变形特征具有较高的一致性,验证了应用FLAC3D有限差分软件模拟锚杆-框架体系应力应变特征的合理性,以及基于BOTDR的锚杆应变分布监测的可行性。     

软土地铁车站中柱在强震作用下的响应研究

将汶川地震时获得的地震波作为输入波,利用FLAC3D软件对软土典型地铁车站中柱进行强震响应的三维数值模拟。土体采用D-P本构模型,车站结构采用弹性模型,并选用瑞利阻尼和Hardin/Drnevich模型的滞后阻尼来实现土在循环动荷载下的滞回和非线性。计算结果包括中柱的相对变形、轴力、剪力、弯矩及车站中柱的加速度响应规律。结果表明:下层中柱是地铁车站受地震波作用时最为薄弱的构件,并且中柱的破坏系水平向地震波和竖直向地震波共同作用的结果。     

基于试验的岩坡滑动面力学参数反演

由于岩体强度试验得到的力学参数与实际情况偏差较大,利用试验所得岩体结构面强度参数计算得到的岩坡稳定性系数往往与实际情况有一定误差。利用概率论中的极大似然估计法,结合室内试验和边坡安全系数计算方法,对岩坡滑动面的参数进行反演。结果表明,该反演结果精确性较高,说明所用方法更为可靠,所得结果可以为边坡的稳定性评价和支护设计提供合理的参数。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

地震作用下地铁车站结构的动力变形响应研究

研究地铁车站结构在地震作用下的变形,对地铁的建设和安全运营有着重要的现实意义。本文进行了北京地区土层中典型地铁车站结构的振动台试验,并使用FLAC2D对试验进行模拟分析,得到了在地震作用下地铁车站结构的变形响应规律。结果表明:地铁结构的变形峰值随地震强度的增加而增加;结构中柱的峰值应变和峰值挠度曲线曲率,两端大、中间小;侧墙峰值挠度曲线的各点曲率为常数,这是因为侧墙与顶底板组成的箱形结构整体刚度大,难以发生破坏;中柱底端应变呈正负循环变化,侧墙的应变曲线与受冲击荷载的变形曲线相似。     

城市浅埋暗挖隧道施工诱发地面塌陷的预测模型

以城市浅埋暗挖隧道上覆地层为状态量,隧道埋深、开挖直径、地下水位、上覆地层厚度等为控制量,基于突变理论建立城市浅埋暗挖隧道塌方的突变模型,揭示浅埋暗挖隧道地面塌方与各个影响因素之间的关系(比如随着地下水位的升高,浅埋隧道发生塌方的几率会大大增加)。利用该模型可得到城市浅埋暗挖隧道发生坍塌时,上覆地层地面沉降的临界值。以此上覆地层地面沉降临界值为隧道是否发生塌方的判定依据,结合广东莞惠城际铁路城市浅埋暗挖隧道工程的现场情况以及FLAC3D数值模拟,得出该模型预测沉降临界值与现场实测数据以及数值模拟结果相吻合,验证了该模型的准确性和合理性。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

基坑开挖与邻近地铁结构变形相关性的实测分析∗

探究开挖卸载下基坑与近邻"上浮型"地铁结构的变形机制,以天津某邻近既有地铁的基坑开挖为例,通过实测手段分析基坑多期开挖条件下既有地铁结构的变形特点。基于基坑围护结构竖向变形,考虑基坑与地铁的水平相对位置L和开挖时间t,定义表示基坑围护结构竖向变形与地铁结构竖向变形相互关系的关联系数R,并对邻近地铁结构的竖向变形进行拟合与预测。探究三维空间下基坑与地铁水平变形的关系。研究结果表明:地铁结构整体表现为上浮,开挖期间累计竖向位移与累计水平位移的比值在0.5～1.5变化;基坑围护结构竖向位移乘以系数1000R/L可很好地拟合邻近地铁的竖向位移,关联系数R在基坑开挖过程中变化不大;三维空间下地铁结构纵向水平变形呈正态分布,与近地铁侧基坑围护结构同深度处的水平变形趋势一致。     

软岩隧道围岩变形季节性特征与防控措施研究∗

以香丽高速洼里别隧道为依托,通过隧道围岩变形监测结果,分析了炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系,研究了围岩旱季和雨季隧道施工围岩变形差异的原因,提出隧道围岩大变形防控措施.结果 表明,受季节性降雨的影响,洼里别隧道围岩变形呈现出一定的季节性特征,较于旱季时期,雨季施工时围岩变形呈现出变形量大且变形速率快的特点;围岩大变形因围岩条件、地下水及施工原因共同影响产生,而炭质板岩的软化性、崩解性及其岩层倾角是引发围岩大变形的内因,地下水则是造成围岩变形呈现出季节性特征的主要原因.最后,基于三个主要影响因素,提出适用于洼里别隧道的围岩变形防控措施,采用控制措施后,现场施工效果良好.     

基于流固耦合的坡度对TBM斜井围岩的影响研究

以内蒙古新街台格庙矿区的TBM斜井工程为背景,运用FLAC3D软件建立TBM斜井施工的三维模型,基于流固耦合理论,从孔隙水压力、应力及变形3个方面对TBM隧道和TBM斜井进行对比分析,并研究了坡度对TBM斜井围岩力学特性的影响。研究结果表明:流固耦合条件下,随着施工进度的发展,TBM斜井在拱腰和拱底处的应力和变形值要大于TBM隧道的值。坡度对富水条件下的TBM隧道围岩变形和应力的影响较明显,坡度越大,围岩越易失稳,拱腰处的应力、变形及孔隙水压力变化较大,大坡度TBM斜井施工应重点注意拱腰部位的支护及防排水。研究结果可为富水大坡度的TBM斜井工程设计施工提供理论参考。     

基于不同本构模型黄河厚冲积层基坑开挖结构变形分析北大核心CSCD

采用理论分析结合现场实测数据,以黄河厚冲积层地质条件下某深大基坑开挖为实例,利用修正剑桥、西原正夫及改进的西原正夫等5种本构模型,通过FLAC仿真软件构建3D数值模型,分析基坑开挖引起的围护桩变形规律、墙后土体沉降变化特征、坑底土体上移趋势及抗浮桩侧摩阻力分布特点。结果表明:西原正夫本构模型可描述粘土体的蠕变变形,能准确追踪围护桩侧向位移;修正剑桥模型通过自动调整自身抗剪强度和弹性模量等参数,可给出墙后土体沉降的正确规律;摩尔库伦模型拟合得到的坑底土体上移曲线与现场实测数据较吻合;在改进的西原正夫及修正剑桥模型下,计算得到的抗浮桩侧摩阻力最为保守。上述规律可供预测基坑后续运营期间的结构变形、延长结构的服役年限参考。