软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响

研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。     

软土流变模型及在建筑物纠偏工程中的应用

根据地基应力解除法纠偏方法原理和软土的变形机理,建立了土体非线性弹-粘弹流变本构模型,并将其成功运用于软粘土地基应力解除法纠偏工程实践.结合某6层住宅楼的倾斜扶正过程,运用所建的本构模型和有限元技术进行了全过程的数值模拟,揭示了建筑物倾斜过程和扶正过程中地基应力-应变的变化规律,并预测了纠偏施工后建筑物的附加沉降量,所得结果与实测结果有较好的吻合.研究表明,土的流变特性对软土地基建筑物的纠偏实践有明显的影响,在实际工程中应予以充分考虑.     

隧道盾构施工引起邻近建筑物及其桩基变形的数值分析

以天津地铁2号线隧道盾构施工为背景,取沿盾构轴线右侧一6层框架居民楼为研究对象,基于ABAQUS软件,建立了隧道和邻近建筑物及其桩基的计算模型,分析盾构施工对邻近建筑物及其桩基础变形的影响。结果表明,隧道盾构施工导致地表沉降,引起框架结构及其桩基变形,框架整体向隧道盾构一侧倾斜。其中框架梁靠近中柱一端沉降较大,而框架中柱及其桩基也较两侧边柱及其桩基的沉降大。同时表明,盾构施工对邻近建筑物及地下桩基变形产生的影响是整体相关的,在隧道盾构施工时应引起相关设计与施工部门的注意。      

盾构隧道平行侧穿诱发的建筑纵向沉降实测与模拟分析

当盾构隧道平行侧穿建筑物时,大多关注建筑物的横向沉降规律,对其纵向沉降关注较少。为此,针对盾构隧道平行侧穿建筑物引发的空间变形开展研究。首先,对天津地铁6号线平行侧穿四座结构形式相近的砖混建筑的实测数据进行分析,得到建筑物基本变形模式;基于工程实测并考虑土体的小应变硬化特性建立三维有限元数值分析模型,研究了盾构侧穿引发的建筑物纵向挠曲、土体变形与应力变化规律,并分析了不同建筑平面长宽比的影响。结果表明,盾构隧道平行侧穿将诱发平面长宽比较大的建筑出现"下凹式"挠曲变形,纵墙中部沉降最大可为其角点沉降的2倍,平行侧穿并不能简化为平面应变问题进行分析。建筑物修建和盾构开挖将导致隧道上方土体经历较为复杂的应力变化过程,并可划分为6个阶段。沿建筑纵向基础中部的土体与边缘土体相比,其首先经历更大的压缩变形(建筑施工导致),在盾构穿越后又产生了更大的卸荷变形。当建筑平面长宽比小于2时,盾构开挖导致的纵向挠曲变形将显著减小。     

既有建筑对极软岩地层中土压盾构的施工影响

基于土压盾构在极软岩地层中近距离下穿既有建筑的背景,采用ABAQUS有限元数值模拟与现场实测相结合的方法,从地表和建筑物竖向位移变化及其控制的角度出发研究既有建筑对盾构施工的影响.实测结果表明:地表和建筑物在盾构下穿过程中会呈现出先隆起后沉降的趋势,其中在盾尾脱出阶段地表和建筑物会产生较大速率的沉降.数值模拟结果表明:...     

地铁隧道穿越角度对地表建筑物的影响分析

结合深圳地铁隧道下穿某住宅小区建筑群的工程实践,以某框架结构建筑为研究对象,按照隧道-土体-结构共同作用,利用Midas/GTS软件建立三维非线性有限元模型,计算了隧道轴线与地面建筑物成90º、60º、45º和30º夹角4种不同工况,分析隧道轴线与建筑物不同夹角条件下隧道开挖对地表建筑物基础沉降和结构受力变形分布形态的影响。计算结果表明,隧道以不同角度穿越时,地表建筑基础的沉降过程和分布形态差异明显。随着穿越角度? 的减小,基础沉降最大增幅为37.3%,建筑基础沿线沉降由对称分布转为侧向倾斜,相邻柱基沉降差增大;建筑倾斜和扭曲变形增加明显,最大增幅达10倍;由于分析部位不同,相比建筑基础及底部结构变形而言,隧道穿越角度的改变对建筑内力影响较小。     

多线叠交盾构隧道近距离穿越施工扰动机制研究

多线叠交盾构隧道在地下空间内布置形式繁多,土体-隧道间相互作用机制复杂。针对多线叠交盾构垂直上穿、垂直下穿和上、下夹穿3种典型穿越施工形式,根据盾构隧道近距离施工的技术特点和控制要求,采用排液法重点分析了施工中因地层损失和开挖卸荷引起的地表沉降以及既有隧道纵向变形规律,并通过构建三维弹塑性有限元动态模型,与部分试验结果进行了对比验证。研究结果表明:上穿施工中,地表沉降较大,既有隧道均呈现上浮趋势;下穿施工时,地表沉降较小,既有隧道均呈现下沉趋势;先下后上穿越施工在各阶段引起的地表沉降变化均匀,最终地表沉降量相对较小;先上后下穿越施工时既有隧道变形曲线曲率大,既有隧道变形呈现反复震荡变化。成果可为类似多线叠交隧道工程的施工提供理论指导。     

盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析

HTSS以大连地铁2号线香沙区间盾构隧道下穿铁路桥特殊地段为依托,通过三维有限元程序仿真模拟以及工程现场动态监测,研究盾构施工法对周围地层变形的影响和盾构下穿铁路桥造成的沉降特征。结果表明:盾构开挖引起的地表沉降经历了5个阶段,即初期扰动沉降、开挖面前部沉降、盾构机正上方沉降、盾构通过沉降、后期固结沉降;地表沉降整体为一个凹槽形,即隧道中心线地表沉降大,隧道两边沉降较小,按隧道横截面轴线左右对称,符合地表沉降机理,并与现场监测数据一致;距离开挖隧道越近,总体沉降位移越大,盾构开挖小于20 m时,其沉降位移沿着横向与纵向都有扩展,隧道开挖至40 m时,沉降位移主要沿着纵向扩展,横向扩展不明显;不同深度的上部土体沉降呈漏斗形,即隧道正上方沉降最大,两边沉降递减,沉降曲线基本对称,地表右侧受右线隧道开挖影响,沉降量略大于左侧;桥桩底端处于隧道拱顶上,且整个桩身处于破裂面之上,属于短桩范畴,桥桩变形主要以受土体作用而产生的竖向沉降变形为主。     

基于土体小应变本构模型的TRD工法成墙试验数值模拟

等厚度水泥土搅拌墙技术即TRD工法,近年来在深基坑工程中得到了广泛应用。以上海国际金融中心基坑工程开展的0.7 m厚、8 m宽、56.7 m深TRD成墙试验为背景,采用有限元方法,并基于土体小应变本构模型对其成墙过程进行了模拟,得到了土体侧向位移和地表沉降曲线,并与实测数据进行了对比。结果表明,距离墙体5 m处两者的土体侧向位移曲线基本一致,而距离墙体1.4 m处的土体侧向位移在深度大于20 m后的计算结果较实测值偏小;地表沉降在靠近墙体处最大,随着距墙体的距离增大而逐渐减小。最后分析了成墙深度对地表沉降和土体侧向变形的影响,结果表明,深度越深,引起的土体侧向变形和地表沉降也越大。通过不同成墙深度引起的地表沉降归一化曲线可看出,TRD成墙引起的最大地表沉降约为0.05%H（H为成墙深度）,沉降影响区域约为1.8H。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

Mechanized tunneling induced ground movement and its dependency on the tunnel volume loss and soil properties

This study investigates the ground movements due to mechanized tunnel excavation by applying two-dimensional finite element analyses. To assess the contribution of the compressibility and plasticity of the soil on the ground movements, different constitutive models are employed to describe the soil behavior. The influence of volume loss around the tunnel on the surface volume loss is investigated, and a quadratic correlation between them is proposed. Consequently, the empirical Gaussian distribution curve, which is generally used to determine the tunneling induced settlement trough, is improved by applying the proposed quadratic correlation between surface volume loss and tunnel volume loss. Furthermore, the settlement trough width parameter has been derived by a linear function of tunnel volume loss as well. The proposed equations are validated via a case study of centrifuge tests from the literature. The results show that the proposed modification enhances the empirical solution by having better knowledge on the model parameters. Additionally, tunnel overburden and coefficient of lateral earth pressure at rest (K₀) are taken into account to study their influence on the tunneling induced surface settlements. Finally, global sensitivity analysis is applied to evaluate the relative importance of corresponding model parameters in terms of their influence on the ground movements.     

Prediction of settlement trough induced by tunneling in cohesive ground

Surface settlements of soil due to tunneling are caused by stress relief and subsidence due to movement of support by excavation. There are significant discrepancies between empirical solutions to predict surface settlement trough because of different interpretations and database collection by different authors. In this paper, the shape of settlement trough caused by tunneling in cohesive ground is investigated by different approaches, namely analytical solutions, empirical solutions, and numerical solutions by the finite element method. The width of settlement trough was obtained by the finite element method through establishing the change in the slope of the computed settlement profile. The finite element elastic-plastic analysis gives better predictions than the linear elastic model with satisfactory estimate for the displacement magnitude and slightly overestimated width of the surface settlement trough. The finite element method overpredicted the settlement trough width i compared with the results of Peck for soft and stiff clay, but there is an excellent agreement with Rankin’s estimation. The results show that there is a good agreement between the complex variable analysis for Z/D = 1.5, while using Z/D = 2 and 3, the curve diverges in the region faraway from the center of the tunnel.     

隧道开挖地表沉降动态预测及影响因素分析

城市地铁隧道施工不可避免地对围岩产生扰动引起地表沉降,动态预测隧道开挖引起的地表沉降是确保地表建构筑物与隧道施工安全的重要基础。针对隧道施工过程中地表沉降难以准确动态预测的问题,在定义纵向开挖度系数? 的基础上,建立横向地表沉降动态预测模型。该模型能够描述同一监测位置沉降曲线随掌子面推进而不断变化的规律,实现施工现场沉降动态预测。结果表明：在特定约束条件下,该模型能够退化为Peck模型以及随机介质理论预测模型;通过现场施工验证了该动态预测模型的准确性与适用性;基于纵向开挖度系数? 将隧道沿纵向分为强烈、中度和轻度共3个影响段,较好地反映了开挖掌子面在不同位置对同一监测截面的影响程度;通过分析建筑物和隔离桩对地表沉降曲线的影响可知,建筑物与其附近地层呈现出协同变形、共同承载的特征,在隧道一侧添加地质钻隔离桩对该侧地表沉降值的减小程度可达71.9%。研究成果对滇中引水工程现场施工与类似工程具有一定指导和借鉴意义。     

隧道施工诱发地表沉降估算方法及其规律分析

通过搜集大量文献,系统地总结了地表沉降槽特性参数的取值方法,并以中国20多个城市的地铁工程地表沉降实测资料为背景,基于Peck公式反演分析法,获取了隧道在不同相对埋深 、不同地层条件和不同施工方法下的地表最大沉降量 、沉降槽宽度k、地层损失率 等参数的变化规律。研究结果表明,（1）采用Peck法估算地表沉降需要基于大量实测资料和结合地域特性和具体施工方法才能得到比较合理的预测结果,不同地区地铁隧道的相对埋深 为0.55～4.43,其地表最大沉降量 为 1.5～ 146.0 mm,沉降槽宽度系数 为0.13～1.60,地层损失率 为0.06%～6.90%,其中 和k与 呈反相关, 受施工工艺和地层条件影响较大;（2）砂性土地层中浅埋暗挖法及其辅助工法的灵活性优于盾构法,黏性土及其互层地层中的盾构法施工在控制地层损失上较浅埋暗挖法要好。     

Interpretation of Soil–Cement Properties and Application in Numerical Studies of Ground Settlement Due to Tunneling Under Existing Metro Line

Uncertainty of properties of improved soft ground with chemical grouting often results in discrepancy between simulated results and observed data and makes prediction for ground subsidence difficult. It also made practice usually adopts unconfined compressive strength of soil–cement mixtures as design control criterion. This paper presents a methodology to interpret the strength and deformation parameters from unconfined compressive strength of soil–cement mixtures for advanced numerical analysis which is widely used in reinforcing the soft ground and pre-supporting excavation. Observed data are used to compare with the simulated results and validate the interpretations. Numerical experiments with two-dimensional finite element model for covered undercutting of large cross-sectional twin tunnel under an existing subway station are presented. Issues with respect to design and construction of excavation that potentially affect the ground surface subsidence are explored. It was found that the ground subsidence caused by tunneling in soil–cement medium under existing subway station is similar to that in a greenfield site but with flatter settlement trough. Unconfined compressive strength of soil–cement mixtures ranging from 1.5 to 2.0 MPa can significantly reduce the settlement to an acceptable control criterion. Settlement magnitude is influenced by pillar width but not obviously by the location of umbrella arch installed in twin tunnels.     

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟

软土中采用暗挖法开挖隧道往往会引起土体变形,由于城市中暗挖隧道多建在建筑物高度集中的地区,土体变形对邻近既有建筑物的损伤不容忽视。采用二维有限元方法对邻近中、低层建筑物(采用整体基础)工况下的暗挖隧道施工进行了模拟和分析,建筑物长15 m。研究结果表明：建筑物的存在会增大隧道开挖引起的地面沉降和衬砌的受力与变形,同时隧道开挖也会使邻近建筑物产生附加应力和变形。当隧道轴线与建筑物轴线的水平距离 0 m时,建筑物相对安全;当 时,建筑物会产生朝向隧道一侧的倾斜。当 为2.5～20 m时,产生较大的地面沉降,建筑物的首尾沉降差较大,建筑物较危险;当 为30～40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响较小;当 40 m时,建筑物的存在对隧道施工的影响可以忽略不计。由于基础的存在,建筑物的最大弯矩、轴力和剪力的变化量较小,增大量在10 %以内。