隧道浅埋段施工过程监测技术

隧道浅埋段施工过程中围岩变形复杂,选取隧道拱顶竖向位移为研究对象,分析隧道浅埋段围岩竖向位移的监测方法,在阿拉坦隧道进行了实地监测,并建立有限元数值计算模型,分析隧道浅埋段围岩变形规律。结果表明:在0.6倍洞径范围内开挖对拱顶围岩竖向位移影响较大,达到总位移的61%~67%;与75 m范围内竖向位移比较,距离隧道中心1.2倍洞径处竖向位移几乎为零,围岩松动圈已延伸至地表,离隧道中心线越远扰动强度越弱。数值计算得出岩层及地表变化规律与现场实测基本一致。     

浅埋含空洞地层圆形隧道开挖引起的位移复变函数弹性解

针对浅埋隧道临近地层空洞施工问题,建立了解析模型。该模型中隧道满足变形边界条件,空洞满足0面力边界条件,采用Schwarz交替法原理和复变函数法对模型进行了理论求解,并通过编程实现了迭代计算,结合数值计算特点对求解精度进行了讨论。通过算例分析了在不同隧道变形边界条件下空洞位置、大小及净距对地表沉降的影响。结果表明,与无空洞工况相比,空洞对地表沉降产生较明显影响,空洞较大或净距较小时影响尤为显著,隧道变形边界不同或空洞位置不同时地表沉降变化规律的差异性较大,当空洞位于隧道两侧位置时均匀收缩和椭圆化变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈对称分布,隧道和空洞正上方地表沉降均增大;竖向位移变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈反对称分布,隧道一侧地表沉降增大,另一侧地表沉降减小。当空洞位于隧道斜上方位置时均匀收缩变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈反对称分布,空洞轴线处地表沉降曲线斜率明显增大。当空洞位于隧道正上方位置时3种基本变形边界下隧道正上方地表沉降均减小。     

基于多案例统计的基坑开挖引起侧方既有隧道变形预测公式及其工程应用

收集42个基坑开挖对侧方既有隧道影响的工程案例,统计每个案例中典型地层条件、基坑和隧道规模尺寸、相对位置、结构变形及控制措施等;分析重要因素对隧道竖向和水平位移的影响,明确了隧道发生隆、沉的判别条件,给出了坑外隧道竖向位移分区;提出了隧道水平位移综合预测指标,给出了3种地层条件下隧道水平位移经验预测公式。依托某实际工程,利用得到的预测公式对侧方隧道变形进行施工前预测,并把预测结果与现场实测结果进行对比,验证了预测公式的合理性。结果表明：侧方隧道受基坑开挖影响,水平位移均指向坑内,而竖向位移为沉降或隆起,具体与隧道拱顶埋深H_t和隧道距基坑水平距离L_t有关,统计得知隧道发生隆、沉的临界拱顶埋深为H_e+R,H_e为基坑开挖深度,R为隧道直径,拱腰距基坑临界水平距离为L_t=H_e,进而结合侧方隧道竖向位移分布特征,可将坑外范围划分为沉降区、过渡区和隆起区。基坑围护结构水平位移δ_hm、基坑开挖深度H_e、隧道与基坑水平间距L     

厦蓉高速公路某隧道洞口段开挖对仰坡变形影响的数值分析

针对一座浅埋偏压隧道,采用FLAC3D对该隧道进口段进洞开挖进行动态施工三维数值模拟。基于围岩应力分布特征,仰坡坡面轴向和横向位移的变化特征,分析了偏压浅埋隧道洞口段开挖引起的仰坡变形规律。计算结果揭示：仰坡后缘下沉,前缘向洞心外有移动趋势;隧道开挖引起隧洞洞身附近岩体出现较大应力集中和变形现象,洞口段洞身以上仰坡坡面主要以竖向沉降为主,洞身两侧向洞内挤压。在此基础上提出了保证仰坡稳定和安全进洞的一些建议。     

隧道穿越引起地下管线竖向位移的能量变分分析方法

隧道穿越引起的地层位移可能造成地下管线变形过大或断裂等事故,引起工程界的高度关注。基于假定的地下管线竖向位移分布模式,通过能量方法建立变分控制方程,提出了求解隧道穿越地下管线竖向位移的能量变分解法,运用叠加原理将单线隧道解答延拓至双线隧道中。与离心机试验和工程实例的对比,验证了方法的正确性。通过参数计算,分析了管材弹性模量、管线埋深、地层损失率等相关因素对地下管线竖向位移的影响规律,研究结论具有工程参考价值。     

基于复变函数方法的水下隧道围岩弹性分析

水下隧道属于浅埋隧道,故其围岩的应力位移分析从力学角度可简化为含圆孔半平面弹性体在水平边界上受任意分布荷载的问题。与深埋隧道不同,浅埋隧道围岩分析在数学处理上历来存在较大的困难。借助Verruijt提供的共形映射函数,把含圆孔半无限平面映射为圆环域,然后将像平面上的解析函数展成Laurent级数,利用Muskhelishvili 的复变函数解法,求得问题的应力场和位移场,最后用Fortran语言编写了计算程序。利用该程序给出一个水下隧道算例的围岩应力、位移结果,并分析了其受力变形特点。     

偏压小间距公路隧道施工的三维数值模拟

以云南平年隧道为工程背景,采用MARC三维非线性有限元法程序,对新奥法修建的偏压、错台、浅埋小间距隧道模拟了先行隧道不同超前距离情况下的动态施工过程。掌子面距离的变化对洞室的横向位移的影响大于竖向位移,且对于左洞更为显著;随着左右洞掌子面距离的增大,洞周位移、中间岩柱位移均减小,但部分范围内地表沉降值有所增大,局部区域受力、变形恶化。     

浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析

浅埋隧道穿越上部桩基础的问题值得关注。在概述目前研究成果的基础上,采取两阶段分析方案,利用分层土体的剪切位移法,着重分析了浅埋隧道开挖引起的土体移动对隧道顶桩位移及轴力的影响,并与整体有限元计算结果进行了比较,结果表明该计算方法是合理的,且计算量小,无需建立复杂的计算模型,在工程领域有较好的实用性。     

基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析

对基坑开挖影响下方既有盾构隧道的机制进行了理论分析。收集了14个国内基坑工程实例,对实测数据进行了统计分析,结果表明：盾构隧道的最大竖向位移均为隆起,且有64%的隧道隆起值超过报警值(10 mm),提出了隧道最大隆起值的经验预测公式;隧道水平向位移较少量测,实测值较小;收敛变形由“水平向拉伸、竖向压缩”向“水平向压缩、竖向拉伸”转变。基于杭州市延安路某地下过街通道工程,研究了基坑开挖对下方地铁1号线盾构隧道变形的影响,对隧道竖向位移、水平向位移以及水平向收敛的实测数据进行了分析,其结果验证了理论分析和计算公式的可靠性。     

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。     

盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析

研究表明,盾构隧道长期渗水会造成地表及隧道严重沉降。针对盾构隧道局部渗流难以模拟的现状,首先提出了一种既符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法;在稳定渗流状态对应的相同渗流量的前提下,对比分析了管片在不同接头渗水条件下隧道周围土体孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形规律。分析结果表明,盾构隧道渗水接头的位置不同,孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道的变形均有明显差异;接头位置越靠近隧道底部,渗水导致的孔压减小越显著,造成的地表及隧道沉降越显著。接头渗水不但会使隧道发生横向椭圆化变形,还会引起隧道左右两侧受力不平衡,从而造成隧道水平侧移。通过对比表明,采用接头渗水和传统的衬砌均质渗水得到的孔压分布、沉降及隧道变形规律均有显著不同;不考虑隧道局部渗水特点会对隧道结构长期性态的认识产生偏差。     

搅拌桩加固挤土效应及在地铁隧道保护中的应用

在减小地基变形进行的深层搅拌桩加固时,加固本身的挤土效应对隧道变形产生了影响。为此,模拟了搅拌桩（DCM）侧向挤土效应的4种荷载模式,结合实测资料并采用数值试验验证了侧向挤土荷载模式的合理性。进一步应用该模式,通过有限元模拟了搅拌桩的加固挤土效应,分析讨论了不同加固顺序对地面变形,隧道变形以及长期蠕变变形的影响,结论表明,搅拌桩加固对地面环境影响是不可忽略,隧道周围搅拌桩施工顺序对隧道变形影响较大,搅拌桩加固后长期蠕变效应相对加固过程的变形很小。     

城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策

浅埋软岩隧道施工沉降变形控制是浅埋地下工程面临的关键难题,其中最基础的内容是对开挖引起的沉降变形规律的掌握。通过对新建龙岩至厦门铁路石桥头隧道地表沉降变形观测分析,将地表沉降变形划分为三个主要阶段:初始沉降阶段、加速沉降阶段和减速沉降阶段;结合隧道拱顶沉降监测结果,得出浅埋软岩隧道地表沉降与拱顶沉降正相关的结论。隧道开挖对掌子面前后纵向地表沉降的主要影响范围分别为1.5D和3D(D为开挖跨度);横向地表沉降影响范围包括隧道中线两侧各4D的范围,地表建(构)筑物受到较大影响包括隧道中线两侧各2D的范围。针对地表和拱顶沉降过大,采取全断面超前预注浆方案进行处理,监测结果显示全断面超前预注浆能有效控制拱顶下沉和地表沉降量,收敛值减小则不显著,说明该方案达到了控制沉降变形的目的。     

求水山隧道下穿机荷高速段新奥法施工有限元计算

结合求水山隧道的暗挖法施工方案,对软土地区浅埋隧道下穿高速公路的施工过程进行了有限元模拟,以用于评价按该施工方案施工时对其上部高速公路的影响。由于该段隧道最小埋深仅4 m,且上部还有高速公路车辆荷载,因此,在设计时采用了新奥法结合管棚工法的方案。有限元建模使用平面应变单元,通过引入应力释放分析步和使用追踪单元等方法充分体现了新奥法的特点,并通过设置耦合和弹簧的方法实现了管棚工法的模拟,在计算中还考虑了开挖顺序和支护顺序的影响。研究结果表明：对于上部有荷载的浅埋暗挖隧道,控制衬砌的水平向变形能改善衬砌环的工作状态,因此,可显著减少开挖引起的隧道顶面沉降,新奥法结合管棚工法可较好地控制该类型隧道开挖引起的地表沉降变形。     

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。     

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.     

紧邻多孔交叠盾构隧道施工影响分析

紧邻多孔交叠隧道是随着地铁建设的不断深入发展而出现的一种复杂的隧道空间分布形式。依托武汉地铁2号线和4号线工程,针对4孔紧邻交叠隧道,采用三维有限元方法分析了隧道动态施工过程引起的地表变形规律以及后建隧道对已建隧道受力与变形的影响。计算结果表明：隧道埋深对地表变形影响显著;紧邻4孔交叠隧道施工引起的地表最终变形达到了32 mm,超出了规范的限值;隧道埋深越大,引起的地表变形越小,但影响的范围越大;紧邻4孔交叠隧道施工时的影响范围为：前方约为30 m、后方约25 m、单侧约30 m;隧道的变形主要表现为上下压扁,两拱腰外扩,变成倒鸭蛋形;隧道的变形主要发生在盾构机刀盘通过前后约1D的范围内,随后很快趋于稳定;隧道结构的沉降主要取决于隧道自身以及其上部的垂直隧道的施工,邻近隧道的施工主要影响已建隧道的侧向变形;后建隧道将少量增加已建隧道管片内的内力。研究成果可为武汉地铁建设以及国内今后类似工程的设计与施工提供参考和指导     

Tunnelling in soils – ground movements, and damage to buildings in Workington, UK

Tunnelling through soils results in ground loss, causing surface settlements and transverse movements. Where the tunnel drive passes below an existing structure, it is important to estimate the effects upon the structure. However, the free ground deformations should not simply be imposed upon a structure, because the structure contributes to stiffening of the ground. A computational soil-structure interaction analysis is required, to otain detailed stress–deformation response. First, linear finite element and Lagrangian finite difference methods are used to estimate ground movements due to a tunnel in free ground, and the results are compared with values based on empirical equations. The two linear methods and an additional hybrid FE method are then used to assess with soil-structure interaction; two cases of a typical short wall and a long wall lying across the route of tunnels of different depths. The results support the validity of the hybrid method which is used to estimate interactive ground settlements for comparison with a reported case of tunnelling below a building in central London. A more detailed case study is then undertaken to assess building damage caused by gross settlements during tunnelling in mixed soils, at a site in Workington, west Cumbria. A survey allowed estimation of free ground movements. Analysis by the hybrid method on the soils plus uncracked structures indicated intolerable horizontal stresses. Re-analysis with major cracks introduced into the structures resulted in close agreement between measured and computed settlements.     

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,开展了微倾斜（倾角为6o）可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究。结果表明：微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现,隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。     

近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究

对上海复兴东路越江公路隧道--近间距双线盾构隧道同向施工时相互影响的现场监测进行了研究。首先简要介绍了工程背景及其概况,然后介绍了为研究近间距盾构隧道相互影响而布设的监测项目,包括深层土体水平位移、地表沉降以及深层土体沉降、北线隧道三维位移、圆周变形、接缝宽度、北线隧道所受水土压力、北线隧道衬砌内力和土体中的超孔隙水压力。对监测数据进行了详细研究,得到了后建隧道推进时对地面沉降、深层土体位移变化、超孔隙水压力产生和消散、先建隧道衬砌位移、变形、内力的影响规律。从现场监测的分析结果来看,后进隧道对周围土体和先建隧道的影响是十分明显的。研究结果可以为大直径近间距双线推进的越江盾构隧道的设计和施工提供更加科学的指导。