地铁双隧道施工引起地表沉降及变形的随机预测方法

地铁施工引起地表沉降及变形的预测和控制是一个有待于深入研究的重要课题。地铁区间隧道大多为近距离的双孔平行隧道,两隧道开挖引起的地表沉降及变形往往相互叠加,导致沉降及变形预测更加困难。以随机介质理论为基础,对预测公式进行了改进,实现了双孔平行隧道施工引起的地表沉降、水平位移、水平变形、倾斜、曲率预测,研发了城市隧道开挖引起的地表沉降及变形预测系统。对多处双孔平行隧道工程进行了理论预测与验证,实测沉降证明了理论方法与预测系统的科学性和有效性。     

大断面浅埋暗挖隧道施工引起的地表移动及变形预测

运用随机介质法理论,研究开发出了隧道施工引起的地表移动及变形预测系统,实现了隧道开挖引起的地表沉降、倾斜、曲率、水平位移和水平变形预测,并对预测公式进行改进,预测了大断面分部开挖引起的地表移动及变形。工程实例分析表明该方法效果良好,具有一定的实用价值。     

随机介质理论预测近距离平行盾构引起的地表沉降

提出近距离双线水平平行盾构施工引起的总的地表沉降曲线符合正态分布规律。基于单线随机介质理论简化公式,针对现有不足,建立修正的随机介质理论简化计算公式,可以计算近距离双线平行盾构施工引起的地表沉降,同时能够考虑沉降曲线的不对称性,对计算参数取值进行了探讨。算例分析结果表明,文中方法预测值与实测值比较吻合,且计算比较简便。实测数据统计结果表明,先行隧道开挖后双线隧道的半径收敛值比先行隧道半径收敛值要大,而主要影响角则变小;提出可直接用于近距离界定的式（6）,认为双线隧道的地表沉降曲线形状与P值大小有关,近距离的界定范围为 。     

随机介质理论预测近距离平行盾构引起的地表沉降EI北大核心CSCD

提出近距离双线水平平行盾构施工引起的总的地表沉降曲线符合正态分布规律。基于单线随机介质理论简化公式,针对现有不足,建立修正的随机介质理论简化计算公式,可以计算近距离双线平行盾构施工引起的地表沉降,同时能够考虑沉降曲线的不对称性,对计算参数取值进行了探讨。算例分析结果表明,文中方法预测值与实测值比较吻合,且计算比较简便。实测数据统计结果表明,先行隧道开挖后双线隧道的半径收敛值比先行隧道半径收敛值要大,而主要影响角则变小;提出可直接用于近距离界定的式(6),认为双线隧道的地表沉降曲线形状与P值大小有关,近距离的界定范围为P≤1.1。     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

随机介质理论预测斜巷道开挖引起的地表变形

针对斜巷道开挖会对地表产生不同的地表移动与变形问题,采用随机介质理论,推导出了巷道半圆拱形开挖断面引起的地表移动与变形公式。分别对一斜巷道的不同剖面位置进行了地表移动与变形的计算,得到了不同位置地表的最大下沉、最大倾斜、最大曲率及最大水平变形值,分析了不同巷道位置对地表的影响范围。计算结果可为电厂工程的规划设计提供一定的指导。     

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。     

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。     

邻近开挖对既有软土隧道的影响

采用两阶段分析方法,提出了邻近开挖对既有软土隧道纵向受力变形影响的简化计算方法。针对软土隧道开挖情况,第1阶段采用Loganathan和Poulos提出的解析解计算开挖引起的土体自由位移场;针对基坑开挖情况,第1阶段根据Mindlin理论解计算邻近荷载作用引起隧道的附加应力;第2阶段基于Winkler地基模型将既有隧道视为弹性地基无限长梁,将土体自由位移或附加应力施加于隧道,并建立求解该问题的纵向变形方程,从而得到隧道纵向位移和内力的计算表达式。结合离心模型试验结果和工程实例进行分析,验证了方法的有效性。研究成果可为合理制定邻近施工对软土隧道的保护措施提供依据。     

随机介质理论在深基坑稳定性分析中的应用

使用矿业工程中广为应用的随机介质理论和方法,计算深基坑开挖引起的地表及土体变形,并据此探讨深基坑边坡的稳定性。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

重庆主城区粉质黏土动力特性研究

采用自振（共振）柱和动三轴试验方法,得到重庆主城区粉质黏土动剪切模量和阻尼比随剪应变变化试验结果,比较分析试验值、文献[1]给出的推荐值和文献[2]给出的规范值的差异,并通过土层反应计算初步给出了这种差异对地表反应谱的影响,结果表明：(1) G/Gmax-γ关系中,规范值在中等应变时给出的G/Gmax比试验值和推荐值低;大应变时,相比较于试验值和推荐值,规范值衰减更快;(2) 相比较于λ-γ关系,G-γ关系经过Gmax归一化后,更具有一致性,粉质黏土阻尼离散性较大;(3) 试验值和推荐值计算的地表反应谱相差较小,但试验值和规范值计算的地表反应谱相差较大,特别是在随着输入地震动强度增大,这种差异性更显著。分析表明,重庆主城区进行土动力计算过程中,当无土动力特性试验资料时,选用规范值具有一定的局限性和风险,相比较于规范值,推荐值在一定程度上更具适用性。     

Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique

In this study, a series of inverse-analysis numerical experiments was performed to investigate the effect of soil models on the deformations caused by excavation by using the finite element method. The nonlinear optimization technique that was incorporated into the finite element code was used for the inverse-analysis numerical experiments. Three soil models (the hyperbolic model, pseudo-plasticity model, and modified pseudo-plasticity model) were employed in the intended numerical experiments on a well-documented excavation case history. The results indicate that wall deflection due to excavation can be accurately back-figured by each of the three soil models, while the ground surface settlement can be reasonably optimized only by the pseudo-plasticity model and the modified pseudo-plasticity model. Importantly, the modified pseudo-plasticity model can yield more reasonable simulations when the wall deflection and the ground surface settlement are simultaneously back-figured. The results show that selection of an adequate soil model that is capable of adequately describing the stress–strain-strength characteristics of the soils is essentially crucial when predicting the excavation-induced ground response.     

Prediction of cavern configurations from subsidence data

An analytical method has been developed to predict the location, depth and size of caverns created at the interface between salt and overlying formations. A governing hyperbolic equation is used in a statistical analysis of the ground survey data to determine the cavern location, maximum subsidence, maximum surface slope and surface curvature under the sub-critical and critical conditions. The regression produces a set of subsidence components and a representative profile of the surface subsidence under sub-critical and critical conditions. Finite difference analyses using FLAC code correlate the subsidence components with the cavern size and depth under a variety of strengths and deformation moduli of the overburden. Empirical equations correlate the subsidence components with the cavern configurations and overburden properties. For the super-critical condition, a discrete element method (using UDEC code) is used to demonstrate the uncertainties of the ground movement and sinkhole development resulting from the complexity of the post-failure deformation and joint movements in the overburden.     

Numerical investigation into the effects of geometrical and loading parameters on lateral spreading behavior of liquefied layer

Numerical simulation of liquefaction-induced lateral spreading in gently sloped sandy layers requires fully coupled dynamic hydro-mechanical analysis of saturated sandy soil subjected to seismic loading. In this study, a fully coupled finite element model utilizing a critical-state two-surface-plasticity constitutive model has been applied to numerically investigate the effects of surface/subsurface geometry on lateral spreading. Using a variable permeability function with respect to excess pore pressure ratio is another distinctive feature of the current study. The developed code has been verified against the results of the well-known VELACS project. Lateral spreading phenomenon has been the focus of an extensive parametric study using the developed code. Numerical modeling of three different geometrical forms of surface and subsurface of liquefiable layer indicates that the amount and direction of lateral spreading are noticeably affected by the geometrical conditions. Also, parametric studies by the developed numerical model show that the effects of layer height, maximum ground acceleration, and loading frequency on the level of lateral spreading are significantly different for the examined geometrical condition.     

肯尼亚裂谷区地裂缝特征及成因分析

肯尼亚裂谷位于东非大裂谷东支中段,现代构造运动以及火山活动强烈,是当今地学研究的热点地区。裂谷区因其独特的地质构造背景、岩土体特性以及气象水文条件,使得地裂缝灾害较为发育。文章以肯尼亚裂谷地裂缝为研究对象,利用资料收集、野外调查、槽探、钻探和室内土工试验等研究手段,对研究区的地质环境背景、地裂缝平剖面结构特征进行研究。裂谷拉张和火山活动等内动力地质作用是该区域地裂缝形成的控制因素,浅表部松散易潜蚀的土体是地裂缝形成的物质基础,强降雨为地裂缝的形成提供了水力条件,“软硬软”的地层结构为水力侵蚀物质提供了有利的堆积场所。将肯尼亚裂谷区地裂缝的形成演化过程分为3个阶段:孕育阶段、扩展阶段和成灾阶段。     

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。     

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。     

Numerical simulation of bolt‐supported tunnels by means of a multiphase model conceived as an improved homogenization procedure

This paper examines the possibility of applying a homogenization procedure to analyze the convergence of a tunnel reinforced by bolts, regarded as periodically distributed linear inclusions. Owing to the fact that a classical homogenization method fails to account for the interactions prevailing between the bolts and the surrounding ground and thus tends to significantly overestimate the reinforcement effect in terms of convergence reduction, a so‐called multiphase model is presented and developed, aimed at improving the classical homogenization method. Indeed, according to this model, the bolt‐reinforced ground is represented at the macroscopic scale as the superposition of two mutually interacting continuous phases, describing the ground and the reinforcement network, respectively. It is shown that such a multiphase approach can be interpreted as an extension of the homogenization procedure, thus making it possible to capture the ground–reinforcement interaction in a proper way, provided the constitutive parameters of the model and notably those relating to the interaction law can be identified from the reinforced ground characteristics. The numerical implementation of this model in a finite element method‐based computer code is then carried out, and a first illustrative application is finally presented. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.