隧道盾构法施工引起周围土体附加应力分析

结合弹性力学Mindlin解,运用边界单元法,推导了施工过程中盾构正面推力和盾壳与土体之间的摩擦力引起的周围土体附加应力计算公式。根据土体损失的空间分布规律,应用镜像法原理,推导了土体损失产生的附加应力计算公式。将正面推力、摩擦力和土体损失引起的附加应力进行叠加,得到盾构推进过程中周围土体总的附加应力计算公式。以上海某隧道工程为例,分析了正面推力、摩擦力、土体损失及共同作用引起附加应力的分布规律及对周围环境的影响,为保护盾构推进一定范围内的建（构）物提供了依据。     

双圆盾构隧道施工对平行既有隧道的影响分析

对双圆（DOT）盾构隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理上,推导土体损失引起的附加应力计算公式,研究双圆盾构正面附加推力、双圆盾构机与土体之间的摩擦力以及土体损失在平行既有隧道上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明,附加荷载的变化规律与双圆盾构机和邻近平行隧道的相对位置密切相关,是一个三维问题;随着双圆盾构机开挖面通过前后,附加荷载由压力变为拉力;土体损失是引起相邻隧道上附加荷载的主要因素,其次分别是盾壳摩擦力和正面附加推力;已建隧道受到的附加荷载变化规律与其和双圆盾构机的净距 S 密切相关,随着 S 的减 小,附加荷载急剧增大;随着平行既有隧道轴线埋深的变化,在轴线位置处,双圆盾构机对平行既有隧道的附加荷载影响最大。     

双线平行盾构法隧道施工附加荷载的计算分析

对隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理基础是推导了土体损失引起的附加应力计算公式;结合弹性力学Mindlin解得到的正面附加推力和摩擦力引起的附加应力,得到三者共同作用下总的附加应力公式,并通过算例分析了各影响因素下水平平行隧道上附加荷载的分布规律,重点探讨了土体损失引起的附加荷载在相邻隧道上的分布,分析结果对平行隧道施工具有一定的参考价值。     

双圆盾构施工引起邻近地下管线附加荷载的分析

利用弹性力学的Mindlin解,对孙统立公式进行修正,推导得到双圆盾构正面附加推力和盾壳摩擦力引起的土体附加应力计算公式。假定土体为Winkler模型,采用随机介质理论,推导得到土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。研究了双圆盾构施工在邻近垂直交叉地下管线上引起的附加荷载大小及分布规律。研究结果表明：双圆盾构盾壳摩擦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,可忽略;竖向附加荷载主要由土体损失引起,最大值一般出现在中轴线上方,当地下管线与盾构之间距离较小时,附加荷载最大值出现在左右单圆圆心附近的位置。     

基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测

基于Peck公式,对双线水平平行盾构隧道施工中土体损失引起的三维土体沉降计算方法进行研究。考虑先行隧道施工对后行隧道的影响和两条隧道开挖面的不同位置,建立修正的三维Peck公式;通过分别计算先行盾构隧道和后行盾构隧道施工引起的土体沉降,叠加得到双线水平平行盾构施工引起的总的三维土体沉降。算例分析结果表明：预测值与实测值比较吻合;随着两条隧道开挖面前后距离的逼近,地面最大沉降量会逐渐增大;随着土体深度z的增大,沉降略增大、沉降槽宽度则略减小;当两条隧道轴线水平距离L较小时,地面沉降量较大,符合正态分布规律;随着L的增大,最大地面沉降量会逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型。     

盾构隧道施工引起地表下土体变位的分析评估

目前对盾构隧道施工引起的地表下土体变位进行预测分析的研究还相对较少,尤其是缺乏简单实用的工程估算方法。在深埋隧道周围土体弹性位移计算方法及盾构间隙参数研究成果的基础上,通过相应的分析和假设提出了一种预测盾构隧道施工引起地表下土体水平变位的简便估算方法。另外,在已有研究成果基础上,提出了一种新的盾构隧道沉降槽的描述方法,并结合Mair等提出的计算公式对盾构隧道施工引起的地表下土体沉降变位进行预测。通过与有限元计算结果及一些典型盾构隧道监测数据的对比分析,证明提出的估算方法能够较好地预测实际工程中盾构隧道施工引起的地表下土体的变位情况。     

地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形

对地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法进行研究。考虑盾构轴线与水平面的夹角 （即隧道埋深变化）,对林存刚公式进行修正,结合正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失的共同作用,提出全新的土体垂直变形计算公式。算例分析结果表明：在隧道埋深较浅工况下,新方法计算结果与林存刚公式的计算结果差异较大,新方法计算得到的开挖面前方地面隆起和后方地面沉降均较大;盾构上仰掘进时,随着 增大,由正面附加推力、盾壳摩擦力及土体损失引起的纵向土体垂直变形曲线呈上移趋势,由附加注浆压力引起的纵向土体垂直变形曲线则呈下移趋势;地面沉降最大值变小,但地面横向沉降槽范围逐渐变大。     

双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究

基于双线水平平行盾构施工中土体损失引起的土体变形二维解析解,建立土体变形三维解析解。取不同的纵向位置作为变量,建立土体损失率沿纵向的变化方程;考虑先行隧道施工对后行隧道的影响,分别计算两条盾构隧道施工引起的土体变形,叠加得到双线平行盾构施工引起的土体总变形。其方法能够计算土体深层沉降和水平位移,较精确地反映土体三维变形。算例分析结果表明：预测值与实测值较为吻合;土体沉降随着离开挖面距离的增加而不断增大,最终在x = -40 m左右时趋于稳定;随着先行隧道与后行隧道开挖距离的接近,最大土体总沉降量逐渐增大;土体沉降会随着深度z的增大而略微增加,但沉降槽宽度将略微减小;随着两条隧道轴线水平距离L的增大,最大土体沉降逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型,不再符合正态分布规律。     

双圆盾构施工引起邻近桩基附加荷载的分析

应用“源汇法”理论,推导了双圆盾构隧道土体损失产生的三维附加应力计算公式。研究了双圆盾构机正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力以及土体损失在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明：在双圆盾构开挖面前方地下桩基受到挤压力作用,在开挖面后方负值附加荷载逐渐增大产生拉力,同时双圆盾构机轴线深度附近的桩基部位处产生较大的拉应力和压应力;双圆盾构机与土体之间的摩擦力在附加荷载中特别是y方向的附加荷载起主导作用;垂直于管片方向的附加荷载值较推进方向大,但影响范围小;竖直方向的附加荷载较小,靠近隧道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈“弓”形分布。经与数值模拟、离心试验、现场实测结果对比分析,验证了应用解析解研究双圆盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用

将盾构法施工隧道开挖引起的地表下沉以及盾构挤压引起的地表隆起均视为一随机过程,应用随机介质理论,对隧道施工所引起的纵向地表沉降进行了分析,推导出了相应的计算公式。工程实例分析表明,该方法效果良好,具有一定的实用价值。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

连拱隧道施工对洞口仰坡影响的三维数值分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为例,采用Marc有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟。从施工过程中的应力集中、塑性区的分布形态和发展规律、仰坡轴向地表位移的分布特征等方面,系统研究了偏压连拱隧道施工对强风化岩体洞口仰坡的影响作用机制。结果表明:在模拟施工过程中塑性区和应力集中区只出现在洞体附近,可能的仰坡失稳往往是隧道施工失稳的累进性响应;洞口仰坡的轴向水平位移前缘大、后缘小,垂直位移后缘大、前缘小;隧道上方和近山脊一侧仰坡位移比近山谷一侧大,仰坡失稳往往从隧道上方和埋深较大一侧开始。     

考虑施工过程的基坑锚杆支护模型试验研究

通过大型室内模型试验,研究了土质基坑在开挖和预应力锚杆施工过程中土中应力、锚固段应力及基坑壁侧向位移的变化规律。结果表明,在基坑开挖过程中,基坑壁附近的土体应力状态变化显著;锚杆锚固段应力呈非线性递减分布;基坑壁侧向位移随施工过程的进行而呈增大的趋势。在模型试验基础上,对土层锚杆的锚固和变形机理进行了探讨,结果表明：必须建立一个包括基坑周围土体以及锚杆等在内的完整力学模型,且考虑施工过程,才能较精确地求解基坑周围应力场和位移场。     

新建隧道近距离上穿对既有地铁隧道纵向变形影响分析

新建隧道近距离上穿施工会改变地层既有平衡应力场,引起地层应力释放,导致既有下卧隧道产生纵向隆起变形。提出了在新建隧道卸荷作用下估算既有隧道纵向变形的解析解答,既有隧道简化为搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli 梁,采用两阶段分析法分析求解。首先,通过Mindlin弹性力学经典解估算新建隧道开挖卸荷引起在既有隧道位置处的竖向附加分布荷载;其次,建立在竖向附加荷载作用下的隧道纵向变形平衡微分方程,并基于有限差分原理,获得隧道变形数值解答。经与已报道的两个工程实测结果对比发现,理论计算结果与实测数据较为吻合,基本可以反映在新建隧道近距离上穿施工过程中既有隧道的纵向变形规律,从而验证其解析解答正确性。     

下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究

依托郑西客运专线阌乡隧道,开展浅埋大跨黄土隧道优化施工研究。对隧道进入下穿高速公路前的地表沉降,拱顶下沉及初支钢架应力进行现场监测,结果表明,土体沉降及初支应力不能得到有效控制,现有的施工方案无法满足下穿段施工安全要求,需要及时对其调整;经综合分析,提出了减小开挖面积、侧导多台阶开挖、预留核心土、快速封闭及加强初期支护等一系列优化措施,并采用数值计算软件FLAC3D验证其安全性和可靠性。通过现场实施及监测结果的反馈,证明优化措施效果明显,保障了阌乡隧道顺利下穿连霍高速公路。研究成果为类似施工中采取相应措施控制土体沉降、保护周边建筑设施的安全使用提供了依据     

某地铁区间隧道冻结施工冻胀效应随机预测分析

土层冻结引发冻胀,引起地面上升和变形,过量的不均匀沉降或变形可能危及周围地面建筑.南京地铁某区间隧道穿过地层为软一流塑状淤泥质粉质粘土,拟采用人工冻结法作为辅助施工方法穿越该不良地段.为对地面建筑物进行变形控制,需要对冻结法施工冻胀效应进行预测.采用随机介质理论对该工程冻结施工的冻胀效应进行预测,介绍了冻胀效应分析的基本过程,编制了计算分析程序,分析了水平冻胀引起的地面隆起、曲率变形规律.结果表明:水平冻胀引起的地面变形均满足地面变形控制要求.     

既有路基下浅埋隧道开挖引起地层的位移及应力解析解

在既有公路下进行浅埋隧道开挖会引起地层产生位移,导致地表沉降。为了保证施工安全,快速精确地计算地层位移及应力,有效地控制地表沉降,对浅埋隧道的设计与施工均十分重要。在镜像法原理的基础上,引入等效模量当层法,推导出了在有上覆不同材料下浅埋圆形隧道开挖引起地层位移、应力及地表沉降的解析分布规律。计算结果表明,既有路基下开挖隧道引起地层产生的位移和应力解析解能够很好地体现上层高弹性模量路基对沉降及应力的扩散作用,可以求得隧道开挖后洞周地层包括上覆路基及下卧层中任意位置处的位移、应力以及地表沉降,为在双层地基材料中开挖浅埋隧道引起地层位移及地表沉降的计算提供了一种新的解析方法。     

顶管施工引起的挤土效应研究

顶管施工过程中过大的支护压力、掘进机偏斜、掘进机与土体的摩阻力,以及过大的注浆压力都会引起挤土效应,挤土过程会减小施工结束时的沉降值和沉降槽宽度。考虑土体的初始应力场,假定土体是均匀线弹性材料,通过向掘进机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟挤土过程,在小应变假定情况下,推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解。考虑空间效应,给出了修正的计算公式。将该公式计算得到的结果与实测值进行了比较,结果表明：地面隆起的最高点位于轴线两侧,由于地面硬壳层的存在,使计算值稍大于实测值,硬壳层以下则非常吻合。