公路连拱隧道土压力荷载的计算方法研究

针对目前国内公路连拱隧道尚无比较成熟的土压力荷载计算公式的现状,根据连拱隧道的受力特点,基于普氏平衡拱理论,推导了深埋连拱隧道的土压力荷载计算公式,同时结合规范中关于隧道深浅埋分界高度的规定,给出了深浅埋连拱隧道的分界埋深及荷载计算公式,形成了完整的连拱隧道深浅埋情况下的荷载计算体系。通过大量的分析计算并与其他公式对比,验证了推导出的公式的合理性,并将公式应用于湖北沪蓉西高速公路连拱隧道及分岔隧道的设计中,取得了良好的效果。     

超大直径浅埋盾构隧道土压力实测分析及其计算方法适用性评价

以扬州瘦西湖隧道为工程依托,对超大直径盾构隧道管片荷载、结构内力等进行长期现场监测,分析超大直径浅埋盾构隧道土压力、管片钢筋应变的变化规律。采用上覆土柱法、太沙基松弛土压力法计算管片土压力理论计算值,并与现场实测结果对比,分析不同土压力计算方法在不同埋深条件下的适用范围。结果表明,盾构纠偏对隧道管片荷载大小、分布形式影响较大,且其影响一致持续至稳定期;盾构隧道施工结束后,作用在盾构管片上的土压力逐渐减小并趋于稳定;管片钢筋应变同土压力变化趋势基本一致,但进入稳定期时间略滞后于土压力,土压力进入稳定期后实测土压力值约为理论计算值的48%～60%;松弛土压力法计算的土压力值较上覆土柱法计算值和实测结果更为接近。研究成果可为盾构隧道管片设计荷载取值提供指导。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

地表均布超载作用下盾构隧道上覆土层竖向土压力转移分析

通过对地表均布超载的模型试验实测既有盾构隧道上覆土层竖向土压力、土体沉降进行分析,结果表明:地表均布超载作用下,与隧道顶部的垂直距离越近,隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀程度越大,同时土体沉降的不均匀程度也越大。隧道上覆土层出现不均匀沉降时,土体单元之间发生竖向相对位移而产生竖向剪力,隧道上覆土中表现出竖向土压力转移现象,从而使隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀。隧道上覆土层中土体单元之间的竖向剪力大小与单元之间的竖向相对位移及土体力学性能有关,因此,地表超载作用下隧道上覆土沉降的不均匀程度及上覆土的力学性能对隧道上覆土层的竖向土压力分布不均匀程度有影响,进而对隧道变形产生影响。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

高填方输煤暗道周边土压力试验研究

高填方暗道在西部沟壑地区得到越来越广泛的应用,但有关高填方暗道周边土压力分布的计算尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对山西平朔东露天煤矿输煤暗道周边土压力现场测试资料分析,得出了高填方输煤暗道周边土压力分布和变化规律,对暗道周边的应力状态有了更为清晰地了解。试验结果表明,高填方暗道结构顶部存在竖向土压力集中现象,高填方暗道侧部竖向土压力分布呈现如下规律：当填土高度较低时,土压力随填土高度增加较快;当填土高度较大时变化缓慢。高填方暗道竖向土压力计算时,当填土高度较低时,宜采用土柱法;填土高度较大时宜选用顾安全公式法。与暗道结构相比,公路桥涵与地下埋管尺寸和刚度较大,建议计算侧向土压力系数采用静止土压力系数。     

既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖效应及支护内力影响的研究

建立了包括地层模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型以及桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的平面应变模型试验系统;通过模型试验,研究了不同水平、竖向相对位置处的既有桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。另外,采用FLAC3D软件,对模型试验及不同工况进行了数值模拟。结果表明：（1）与没有桩基荷载的自由地层中的隧道开挖试验相比较,地层中的既有桩基荷载会明显地改变邻近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力;（2）对于桩径和水平相对距离都相同,但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深比值为1.0时,对隧道开挖效应影响最大,二者比值小于1.0时,其影响程度随着比值的减小而减小,二者比值大于1.0时,桩长的改变对隧道开挖效应影响较小;（3）对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对地层压力、地层沉降及支护内力的影响随桩基荷载与隧道的水平距离的减小而增大,桩基荷载距隧道的水平距离与隧道直径比值介于0.5～4.0时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大,隧道较危险,比值介于4.0～6.0时,影响较小,比值＞6.0时,影响可以忽略不计。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

建立了水下隧道流固耦合数值模型,通过正交试验优化计算方案,分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律,并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路,建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型,并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验,结合佛莞城际狮子洋隧道工程,进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时,压力拱高度主要受覆岩厚度影响,上覆岩层岩性较差时,压力拱高度主要受上覆软土厚度影响;压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加,达到成拱临界板厚时,逐渐减小随后趋于稳定,上覆岩层岩性越差,成拱临界板厚越大;全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明,以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值,可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。     

不对称双连拱海底隧道施工引起的地层变形分析

在目前众多的预测隧道开挖引起的地层变形的方法中,经验公式法最为简便,也是目前应用最为广泛的方法,为此介绍了多种预测隧道开挖引起的地层沉降和水平位移的经验公式。并以青岛胶州湾海底隧道不对称双连拱断面为工程背景,由位于主隧道与匝道交叉口段的典型断面ZK2+800.78的几何参数和地质资料构建三维数值计算模型,采用岩土体工程通用有限差分软件FLAC3D进行动态施工三维数值模拟。通过对FLAC3D模拟和各经验公式计算的地层沉降和水平位移的对比分析,评价了FLAC3D软件和各经验公式在不对称双连拱隧道断面地层变形预测中的适用性。结果表明,当地层埋深较浅时,不同埋深地层的地层沉降和水平位移可近似用各经验公式来预测;但随着地层埋深的增大,各经验公式预测的偏差不断增大;经验公式只能对单一地层、单一隧道的地层变形进行估算,存在明显的局限性,而在预测复杂地质条件下不对称双连拱隧道断面开挖引起的地层变形时,FLAC3D较各经验公式有明显的优势     

盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究

盾构近距离穿越已建地下构筑物位移场的影响因素及其敏感性与常规施工有较大的不同。结合上海地铁四号线隧道超近距离穿越运营地铁隧道的工程实例发现当盾构接近上方近距离（净距为1.05 m）地铁隧道时地层土压力发生较大变化,相应的盾构土舱管理压力需作相应调整。根据隧道受荷机理及弹性力学原理,找到了这一问题的理论依据,便推导了相关理论公式,并在实际工程中设计了盾构土仓管理压力分步台阶控制方案,对盾构控制起到了很好的指导作用,成功地将地铁位移控制在5 mm之内。土压力实测结果与理论推算的数值大小及分布相当接近,说明所采用的理论方法是正确可靠的,在盾构超近距离穿越施工中具有重要指导意义。     

新建盾构隧道上穿对既有隧道的变形影响分析

针对上海地铁11号线上、下穿越既有地铁4号线的多线叠交复杂工况,构建三维弹塑性有限元模型,研究在不同净距、不同土仓压力、不同注浆量下新建隧道盾构穿越对既有隧道管片变形的影响。根据模拟结果和实测数据,结合因素正交分析,提出多线叠交隧道施工影响系数的概念。研究结果表明,在新建隧道穿越既有隧道的过程中,新旧隧道之间的净距在影响系数中所占权重最大,土仓压力次之,注浆量权重较小。研究成果可为多线叠交盾构隧道施工微扰动控制技术以及隧道变形计算提供一定的理论基础。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

地铁盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载影响研究

为提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,以北京某典型地铁盾构隧道及邻域的基坑工程为基础,应用相似材料模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下地铁盾构隧道的变形特征及围土压力分布规律,并对基坑底部与盾构隧道顶部净距和基坑加载强度的影响进行了分析。研究结果表明：盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载过程中,随着基坑开挖卸荷的进行,盾构隧道逐步上浮,基坑开挖至底部时,竖向位移达到最大值;随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,最大竖向位移差及最大水平位移差均出现在基坑开挖卸荷完成阶段,此时应尽早完成基础底板封闭施工。基坑开挖卸荷-加载过程中,盾构隧道围土压力始终呈葫芦型对称分布,盾构隧道顶部及底部土压力较大,腰部土压力较小,基坑开挖卸荷完成后,长轴方向土压力明显减小,基坑加载完成后,土压力有所恢复,但并未达到最初状态。随着基坑底部与盾构隧道顶部净距的增加,盾构隧道结构位移、拱顶与拱底竖向位移差及水平收敛均逐步减小,当净距大于3 h（h为基坑深度）时,上方基坑卸荷-加载对盾构隧道影响逐步趋于轻微。在基坑加载强度为卸载强度的2倍时,盾构隧道竖向位移可恢复至最初状态。     

崇文门站施工允许地表沉降及三维有限元模拟分析

建设中的北京地铁五号线崇文门站下穿既有地铁一号线区间隧道,为保证既有地下铁道正常运营和地下结构的安全,需严格控制新建车站施工引起的地层位移。结合新建车站暗挖施工及既有线地铁的实际情况,分析和计算穿越既有隧道施工地表允许沉降值。为了控制地表沉降,确保施工安全,拟采用小刚度管棚或大刚度顶管作超前预支护,用3D-S igm a三维有限元软件进行施工效应的计算模拟,掌握大管棚和顶管预支护洞室的力学效应,预测车站施工引起既有隧道的沉降量。最后分析比较两种预支护的支护效果,为选择合理的预支护方案提供参考。     

深埋顶管顶力理论计算与实测分析

针对管幕预筑法中深埋顶管顶力进行理论和实测分析。顶管顶力与垂直土压力密切相关。参照隧道开挖中垂直土压力的计算方法,常用的垂直土压力计算理论有：普氏理论和太沙基理论。在详细分析了这两种垂直土压力计算理论的适用性和缺陷之后,结合普氏理论和太沙基理论,提出了改进的垂直土压力计算理论公式,并编写MATLAB程序计算改进理论公式的数值解。改进理论既考虑了土拱效应,又考虑了拱下土体的挟持力,更符合实际土体变形情况。将普氏理论、太沙基理论和改进的理论应用于沈阳地铁新乐遗址站管幕预筑法顶管工程中,计算不同深度的两根大埋深管道顶力,并把计算与实测结果进行比较,发现普氏理论和太沙基理论计算结果都远大于实测值,改进理论计算结果稍大于实测值,更适合于深埋顶管顶力估算。     

饱和软土层地铁列车运行引起的环境振动研究

我国沿海地区大量的地铁隧道都修建在饱和软土地层,饱和软土地层中地铁列车运行引起的环境振动逐渐成为社会关注的问题。以上海2号线某地铁区间隧道为研究对象,采用循环运动模型本构模型和水土耦合动力分析方法,分析了饱和软土中地铁列车运行引起的地表振动加速度以及振动位移响应规律,采用加速度振级对地表的振动强度进行了评价,分析了单次列车通过时引起的隧道下卧土层超孔隙水压力（EPWP）响应规律。计算结果表明,饱和土的振动响应比干土要小得多,地表水平向与竖向的振动规律明显的不同,超孔隙水压力沿隧道下方沿向是不断减少的,在距离隧道中心的纵断面上是先增加后减少。分析饱和土中地铁运行引起的环境响应规律,可为地铁沿线建筑物减隔振设计及沉降控制提供一定依据。     

盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站地表沉降控制标准分析

在盾构隧道基础上结合浅埋暗挖法可以有效地解决地铁车站和盾构隧道施工之间的矛盾。北京地铁14号线试验段采用外径为10 m的土压平衡盾构修建,试验段上的车站结合PBA法（洞桩法）扩挖而成。综合运用预测地表沉降的经验公式、相关统计资料和规范,以及数值模拟方法,对大断面盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站的施工过程进行地表沉降分析。结合北京地铁车站地表沉降控制基准值和现有地铁车站地表沉降统计数据,提出较为合理的地表沉降控制标准,并按照三级控制的管理方法,分级分步进行地表沉降控制,研究结果对指导工程施工有一定的参考价值。     

地表超载对地铁盾构隧道的影响分析

针对地表超载导致的隧道竖向土压力问题,参照室内模型试验的隧道结构变形与土压力实测结果,建立了有限元模型。在地表超载作用下,分析了隧道穿越土层与隧道上覆土层的压缩性能对隧道周围土压力与结构变形的影响。结果表明：隧道穿越土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的隧道竖向土压力越大,且对应的隧道水平土压力越小,隧道结构越容易发生横椭圆变形;隧道上覆土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的竖向土压力越小,隧道结构发生的变形也越小;在软土地区地表堆土（超载）导致的隧道竖向土压力要大于按土柱理论计算所得的隧道竖向土压力。研究结果可为软土地区地铁盾构隧道设计与运营期管控提供参考依据。     

高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法

合理的支护荷载确定方法是膏溶角砾岩深埋隧道设计和施工过程中的关键科学问题。以石太客运专线太行山隧道累计穿越4 410 m膏溶角砾岩地层为依托,通过现场支护荷载量测试验,统计得到初支围岩压力和二衬接触压力。采用泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家烋理论、铁路隧道设计规范和普氏理论共5种方法分别计算围岩压力,并与现场实测值相比较。结果表明：围岩压力以竖向为主,泰沙基理论值与现场实测统计值最为接近;围岩压力在竖向、水平分布模式不同于传统计算方法,推荐竖向压力采用双峰型或均匀分布,水平压力采用折线型分布;初支和二次衬砌共同承担荷载,二衬分担比例为50.1%。研究成果可为高速铁路膏溶角砾岩以及类似地质条件深埋隧道修建提供参考。