基坑开挖引起的旁侧盾构隧道横向受力变化研究

为研究运营盾构隧道附近基坑开挖对隧道管片受力的影响,针对基坑开挖引起旁侧盾构隧道围压变化的机制进行了分析,提出了一种能描述隧道受力-位移-再平衡过程的附加围压重分布模型,并推导出附加围压的计算公式。采用修正惯用法计算相应围压作用下的衬砌内力。根据实际工程做算例分析,研究基坑开挖对盾构隧道围压和内力的影响,并进行影响因素分析。分析结果表明：基坑开挖前隧道围压呈“钟形”分布;当基坑开挖后,隧道两侧的围压减小,基坑开挖侧的围压减小量更多;基坑开挖会使旁侧隧道正负弯矩值和正负剪力值增大,拱顶和拱底的轴力减小;随着基坑侧壁应力释放系数的增大,附加围压和附加弯矩的绝对值都会增加,而弯矩对基坑开挖卸载的响应更为明显;埋深较浅的盾构隧道对旁侧基坑开挖的影响更敏感,埋深较大的隧道,尤其是埋深大于基坑开挖深度的隧道,对旁侧基坑开挖影响的敏感度会明显降低;随着基坑与旁侧隧道净距的增加,基坑开挖对隧道的影响也会减小。     

正断层错动诱发上覆黏土中隧道变形破坏数值模拟研究

针对隐伏正断层活动引发上覆黏土中的隧道位错破坏研究相对不足,基于不排水条件的总应力分析方法,展开隧道破坏的有限元计算。数值计算结果与试验数据表明,正断层错动影响下,上覆黏土变形由下盘一侧向上盘一侧可划分为静止区、剪切区和刚体位移区。上覆土体中产生的不均匀沉降区域随埋深逐渐减小,使得地下结构物的影响范围随埋深而减小,但破坏程度则逐渐增加。当隧道与周边土体可近似为绑定接触时,基岩断层投影附近区域以受弯变形破坏为主,而远离基岩断层投影的两侧区域则呈现受拉破坏。隧道拱顶衬砌在基岩下盘一侧受拉,在基岩上盘一侧则为受压。拱底与拱顶的轴向应变分量呈反对称分布。     

基坑开挖引起的旁侧盾构隧道横向受力变化研究

为研究运营盾构隧道附近基坑开挖对隧道管片受力的影响,针对基坑开挖引起旁侧盾构隧道围压变化的机理进行了分析,提出了一种能描述隧道受力-位移-再平衡过程的附加围压重分布模型,并推导出附加围压的计算公式。采用修正惯用法计算相应围压作用下的衬砌内力。根据实际工程做算例分析,研究基坑开挖对盾构隧道围压和内力的影响,并进行影响因素分析。分析结果表明:基坑开挖前隧道围压呈“钟形”分布;当基坑开挖后,隧道两侧的围压减小,基坑开挖侧的围压减小量更多;基坑开挖会使旁侧隧道正负弯矩值和正负剪力值增大,拱顶和拱底的轴力减小;随着基坑侧壁应力释放系数的增大,附加围压和附加弯矩的绝对值都会增加,而弯矩对基坑开挖卸载的响应更为明显;埋深较浅的盾构隧道对旁侧基坑开挖的影响更敏感,埋深较大的隧道,尤其是埋深大于基坑开挖深度的隧道,对旁侧基坑开挖影响的敏感度会明显降低。随着基坑与旁侧隧道净距的增加,基坑开挖对隧道的影响也会减小。     

双孔盾构隧道近接施工离心模型试验研究

通过室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,研究了衬砌结构横向内力的量值、分布规律以及随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化规律。结果表明,衬砌结构拱顶和拱底内侧受拉,左右拱腰外侧受拉,拱底出现最大弯矩;整个结构均受压,拱顶和拱底处轴力较小,左右拱腰轴力较大;既有隧道施工完成后,结构内力基本呈对称分布,且随着新建隧道的施工,两隧道结构内力将随其相对位置的变化而变化;新建隧道施工对既有隧道结构内力影响明显,设计施工时应采取相应的加强措施。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。     

斜井盾构掘进时富水围岩变形特性模拟分析

在富水软岩地层中进行盾构掘进施工过程时,围岩应力状态会发生变化。准确掌握其变化规律,有利于采取合适的处置方法,避免发生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等工程事故。以往研究一般只考虑盾构、斜井和软岩中的一个或两个条件,也未对有无渗流两种工况进行对比,并较少涉及不同埋深条件下坡度的影响。文章采用有限元计算模型研究盾构在富水软弱地层中掘进过程中围岩的力学特性,通过选择若干观测断面进行监测,得出软岩整体呈现“横鸭蛋式”椭圆形变化趋势,且顶部比两侧和底部更容易受到施工扰动,在渗流条件下该趋势得到加强;设定5种埋深和5种斜井坡度条件,模拟盾构在掘进过程中不同条件下顶部和侧向监测点的位移,结果显示:盾构洞周拱顶竖向位移一般大于两侧水平位移;当斜井纵坡坡度<4°时,盾构顶部监测点竖向位移与侧向监测点水平位移相差较小,但均随斜井埋深的增大而增大;坡度超过4°后,盾构掘进引起的顶部竖向位移与侧向水平位移间差值随着埋深的增加而逐渐增大。     

露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系

内蒙古东部草原区某露天煤矿在长期疏排水条件下造成地下水位持续下降，为研究矿区周边植被生长是否受地下水位下降的影响，采用归一化植被指数法（NDVI）分析了研究区2013—2019年植被盖度变化趋势，选择气温、降水量和地下水位埋深3个气象水文要素，基于联合熵理论计算NDVI与不同要素之间的互信息，得出植被生长的主要影响因素。研究结果表明:研究区植被盖度呈逐年好转趋势，植被指数由2013年的0.10逐渐增加至2019年的0.33，年均增长约为0.03；植被生长与当地气温和降水量关系密切，与地下水位埋深相关性弱；研究区气候变暖和稳定的降水量造成植被返青期提前和生长期延长；在矿区目前疏排水强度下引起的地下水位下降不会造成周边草原植被干枯死亡。研究成果丰富了内蒙古东部草原区植被生长与地下水关系的研究内容，为类似分析评价工作提供技术支撑。      

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

考虑地下水位升降影响的盾构施工诱发地层变形和衬砌响应分析

盾构隧道施工时遭遇地下水位急剧变化会明显增大施工风险,既有成果较少考虑地下水位升降给盾构隧道施工带来的影响,也较少针对隧道衬砌本身变形和应力进行分析。在考虑盾构隧道施工时地下水位变化的情况下引入隧道洞周的非均匀收敛变形模式,采用复变函数法理论,提出地下水位升降影响下盾构隧道开挖引起的周围地层、衬砌变形和应力的计算方法。将理论解析结果与数值模拟结果进行对比,验证了所提出方法的可靠性,并针对衬砌厚度、隧道半径、地下水位深度等参数进行了敏感性分析。研究结果表明,衬砌的径向位移形态基本呈现"苹果把"朝上的"苹果"形;随着地下水位的下降径向位移由"鸭蛋"形逐渐向"苹果"形过渡,且"苹果"形越来越明显;衬砌的环向位移基本形态呈倾斜的"苹果"形,随着地下水位的下降倾斜的"苹果"形范围逐渐变大;径向应力的分布在衬砌厚度、隧道半径的影响下呈现出相同的增减变化规律,且随着上述两个参数逐渐增大,径向应力分布由水平放置的"鸭蛋"逐渐变化成水平放置的"?"字形,随着地下水位的下降径向应力形态逐渐向中心收缩;衬砌环向应力随着衬砌厚度的增大,应力略微减小,随着隧道半径的增大衬砌环向应力明显减小,随着地下水位的下降环向应力分布形态由竖立放置的"鸭蛋"形逐渐变化为竖立放置的"8"字形;衬砌切向应力在衬砌厚度、隧道半径的影响下呈现相同的增减变化规律,且切向应力分布呈现"苹果把"朝下的"苹果"形。研究成果可为地下水位变化明显的盾构施工控制提供参考。     

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。     

柴达木盆地乌图美仁区植被覆盖率变化及其与地下水的关系

那棱格勒河乌图美仁区位于青海柴达木盆地西南部,气候干旱少雨,生态系统脆弱。基于MODIS NDVI数据,应用遥感方法,对乌图美仁区2000-2011年的植被覆盖率进行了计算,并分析了地下水对其的影响。结果表明：研究区内裸土和低覆盖率植被的面积是逐年减小的;而较低覆盖率、中等覆盖率、较高覆盖率及高覆盖率植被的面积都是逐年增加的;研究区植被生长与地下水位埋深的关系较为密切。乌图美仁地区植被的地下水位埋深范围为0.4~3 m,在水位埋深为0.9 m的地方,植被长势最好;当研究区的地下水位埋深小于2 m时,水质矿化度小于3.5 g/L,植被发育较好。     

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。     

小半径曲线隧道下地铁运行对粉砂土层引起的振动响应规律

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患.进行了长期孔隙水监测,并利用MIDAS有限元计算平台建立地铁道床-衬砌-土体耦合动力模型进行相互验证,研究了单列列车运行与双向会车、不同隧道埋深时对隧道周围土层的振动响应规律.结果表明,孔隙水压力在列车运营初期较大,后期逐渐减小并稳定,其中受到上下班高峰期、季节性气候,以及地下水位的影响,孔压可能造成小幅度上升,但总体趋势是下降.由于荷载叠加效应,双向列车同时经过会使孔隙水压力增幅大于单向列车运行的情况,在隧道下方的最大沉降发生在隧道左端,离隧道越远沉降量越小;在地下水位一定时,隧道埋深与孔隙水压力大小成正比,与隧道周围土体沉降成反比.     

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。     

地震荷载作用下地铁盾构隧道动力响应分析

动力荷载作用下的土与地下结构的相互作用是工程研究的一个热点。基于动力学基本方程,运用有限单元法和振型迭加法,对位于黄土地区的盾构地铁隧道在El Centro地震波动力荷载作用下的动力反应进行弹塑性数值分析。从计算结果分析得出在El Centro地震波作为动力激励时地铁盾构隧道的动力反应特征。分析得出盾构隧道在地震波作用下拱底所产生的加速度最大,且这一部位的动应力最大。同时隧道结构内侧的累积变形大于其外侧所对应各点的累积变形,且最大变形出现在隧道结构的侧墙部位。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

地下水对银川平原植被生长的影响

植被是反映区域性生态环境状况的重要指标之一,而地下水对植被的生长有着重要的影响。结合MODIS-NDVI遥感数据与地下水位观测数据,从大尺度上研究了银川平原地下水与植被的关系,并结合实测的数据,利用最小二乘法拟合出地下水位埋深与NDVI变化率的关系曲线,定量分析了地下水位埋深对植被生长的影响,并对适宜植被生长的地下水位埋深进行了探讨。研究结果表明：地下水位埋深在3 m时,植被长势最好;而适宜植被生长的地下水位埋深范围是1~5 m;当地下水位埋深超过5 m时,地下水位埋深对植被的影响逐渐减弱;当水位埋深超过8 m时,地下水位埋深对植被的生长没有影响。     

破碎软岩隧道施工期位移控制值的确定及其应用研究

因破碎区软岩隧道特殊的地质环境条件,在施工中建立一个合理的位移控制体系尤为重要.文章以极破碎区姚渡至广元高速公路工程项目(简称广甘路)中的杜家山隧道为依托,结合隧道特点与洞周位移分布规律,确定了针对该工程软岩隧道的位移控制指标;通过对197个位移监测断面变形正常段、发生异常及险情段位移的统计分析,建立以三台阶+预留核心土法的位移控制基准.结果表明:可将隧道埋深与拱顶沉降作为破碎区软岩隧道以三台阶+预留核心土法的位移控制指标(值),其中埋深≤100m时,拱顶下沉极限位移为260mm;埋深100 ～ 200m时,拱顶下沉极限位移为340mm,埋深200 ～ 300m时,极限位移为400mm.最后通过杜家山隧道160个断面的运用,共计发现险情与异常情形46个,及时进行加固处理,确保施工安全、顺利、高效进行.     

盾构穿越软土地层预加固数值模拟与变形控制

依托佛山地铁3号线创驹区间盾构隧道工程,采用数值模拟得到不同加固方式下的地表沉降和隧道变形,研究了盾构穿越全断面软土地层时的变形规律,提出一套盾构安全穿越加固建议,并结合现场实测,验证了模拟结果的正确性。研究表明：盾构在全断面软土地层中推进时,地表沉降、隧道拱顶沉降和水平收敛值均不断增大,且主要发生在盾构通过时及盾尾管片脱出后,同时该段也是预加固的主要作用范围;先行隧道对地表沉降影响大于后行隧道;盾构穿越未加固土层时地表沉降、隧道拱顶沉降、水平收敛最大值分别为27.7 mm、13.78 mm、10.57 mm,采用超前预注浆加固时各变形分别为未加固的57.0%、69.1%、61.0%,采用三轴搅拌桩预加固时各变形分别为未加固的32.1%、50.2%、43.0%,预加固可有效控制变形,且三轴搅拌桩变形控制优于超前预注浆加固。当盾构区间地面环境复杂,不具备地面加固条件时,建议采用超前预注浆加固控制地表沉降量及隧道变形。