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。     

面向地表沉降控制的地铁盾构参数研究

地表沉降是地铁盾构施工过程中最关心的工程问题之一,关乎近邻建筑物能否正常运营及盾构能否正常施工。故本文以地表沉降为关键目标进行地铁盾构参数研究。将影响地表沉降的盾构参数概括为开挖面支护压力比和等代层弹性模量。在此基础上,以长沙地铁1号线南门口—侯家塘区间为工程背景,采用FLAC3D软件对不同盾构参数下的施工过程进行数值模拟,分析了开挖面支护压力比及等代层弹性模量对地表沉降的影响,提出了研究区段的盾构参数建议值。研究同时得出了在建议盾构参数下,研究区段发生地表沉降的范围及地表沉降最大值。为长沙地铁后续建设及其他城市地铁建设盾构参数的选取提供理论依据和方法参考。     

考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析

目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明：不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。     

软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响

研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。     

超大直径土压平衡盾构施工对环境影响的现场监测研究

软土地层中盾构法隧道施工对周围环境影响的控制是施工中最为关心问题。依托上海迎宾三路?14.27 m土压平衡盾构隧道工程,通过在试验段布设监测断面、调整施工参数,研究超大直径土压平衡盾构施工诱发的地表沉降分布和发展规律。通过分析发现,超大直径土压平衡盾构施工中土舱压力和同步注浆参数的设定决定了地表沉降的发展规律,其中同步注浆的参数设定对于控制地表沉降起关键作用。同步注浆填充效果不佳会导致盾尾上方较大范围内地表沉降发展明显,距离盾尾越近,沉降速率越大,而填充效果较好时,地表沉降可以得到有效控制,Peck公式比较适于盾尾间隙填充效果不佳的情况。另外,监测数据揭示,盾构停推过程中超孔隙水压力逐渐消散,地表沉降持续发展,距离盾尾越近的位置地表沉降发展速率越大。     

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。     

武汉地铁三号线土层盾构开挖引起的地表沉降研究

为分析隧道盾构开挖引起的地表沉降规律,本文以武汉地铁三号线为工程背景,采用现场监测和数值模拟计算相结合的方法,综合分析了土质地层盾构开挖时隧道的纵向、横向地表沉降特征,探讨了不同注浆半径条件下地表沉降变化规律,结果表明:数值计算结果与现场监测数据相吻合;开挖过程中盾首上方地表沉降迅速,盾构穿过后沉降减缓,注浆后回弹,最终趋于平稳;隧道拱顶沉降值最大,平均沉降值约40 mm,离隧道轴线越远沉降值越小,形成沉陷槽,沉陷槽宽度约30 m;注浆半径越大,沉降值越小,施工时可根据技术要求和经济条件选择最优注浆半径。     

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。     

软土地层矩形顶管掘进引起地表隆沉变形分析

准确预测并及时控制软土地层矩形顶管掘进过程中引起的地表隆沉,可有效降低掘进施工对紧邻结构设施的影响。结合弹性力学Mindlin解和随机介质理论,进一步考虑顶管开挖面附加推力、非均匀分布且具有软化特性的机体-土体侧摩阻力、受触变泥浆特性影响的管节与土体间的侧摩阻力,管节附加注浆压力及基于开挖面收敛模式的土体损失共同作用,推导得到矩形顶管掘进期间地表隆沉位移解析解。经与3个工程算例的实测结果进行对比分析,发现所提方法可预测矩形顶管在软土地层掘进引起的地表隆沉变形规律。分析结果表明：顶管开挖面前方地表表现为隆起;随着顶管开挖面的远离,摩阻力、注浆压力对地表的影响逐渐减小,开挖面后方地表主要受土体损失作用发生沉降;土体损失引起的地表沉降量受开挖面收敛模式影响。     

大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究

盾构隧道掘进过程中将不可避免地穿越建筑结构密集区域,尤其是当穿越的建筑结构建造时间较长、基础较为薄弱,且地层变形超过特定极限时,建筑基础容易发生不均匀沉降和上部结构的额外变形。为了明确大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形影响因素,更好掌握地层变形规律,本文以武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站越江隧道工程为依托,运用大型通用有限元软件Plaxis3D建立三维有限元模型进行施工过程模拟,分别研究了覆土厚度、开挖面支护压力、盾壳段土体损失、盾尾注浆压力对地表沉降规律的敏感程度;并将数值模拟结果与现场实测值进行对比分析,结果发现有限元计算结果与实测结果具有较好的一致性,从而验证了数值模型的有效性。本文研究将为后续大直径泥水平衡盾构参数的选取提供方法指导。     

南京长江江心洲超大直径盾构接收井明挖段 超深基坑降水技术研究

南京长江隧道盾构接收井地处江心洲上,开挖地层以粉细砂层和砾砂层为主,降水施工中成功地克服了强透水地层分布厚、受承压水影响大、基坑开挖深度深、民房离基坑边沿距离近、降水技术复杂、地表沉降控制难等一系列技术难题。本文对基坑降水方案设计、施工工艺及地表沉降控制等方面进行了研究和总结。     

盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析

在研究盾构施工工艺诱发地层沉降规律时,对施工工艺变化引起地表沉降的量化分析成果相对较少。将盾构工艺分为注浆填充率?、支护压力比? 和偏心率? 等3个主要因素,将其引入到Rowe等人提出的“间隙参数”的公式中,利用Loganathan等人提出的地表沉降预测解析公式,对上述3个工艺参数的变化对地表沉降的影响进行量化分析;同时以间隙参数为前提,对前人提出的等代层厚度参数取值进一步探讨,为复杂的盾构施工工艺的数值模拟提供计算依据。通过对西安地铁2号线试验段地表沉降实测资料进行反演,分析结果认为,提出来的间隙参数计算方法及修正等代层模型能较为真实地反应施工工艺水平,能够为盾构施工地面沉降控制提供一定的参考。     

盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析

HTSS以大连地铁2号线香沙区间盾构隧道下穿铁路桥特殊地段为依托,通过三维有限元程序仿真模拟以及工程现场动态监测,研究盾构施工法对周围地层变形的影响和盾构下穿铁路桥造成的沉降特征。结果表明:盾构开挖引起的地表沉降经历了5个阶段,即初期扰动沉降、开挖面前部沉降、盾构机正上方沉降、盾构通过沉降、后期固结沉降;地表沉降整体为一个凹槽形,即隧道中心线地表沉降大,隧道两边沉降较小,按隧道横截面轴线左右对称,符合地表沉降机理,并与现场监测数据一致;距离开挖隧道越近,总体沉降位移越大,盾构开挖小于20 m时,其沉降位移沿着横向与纵向都有扩展,隧道开挖至40 m时,沉降位移主要沿着纵向扩展,横向扩展不明显;不同深度的上部土体沉降呈漏斗形,即隧道正上方沉降最大,两边沉降递减,沉降曲线基本对称,地表右侧受右线隧道开挖影响,沉降量略大于左侧;桥桩底端处于隧道拱顶上,且整个桩身处于破裂面之上,属于短桩范畴,桥桩变形主要以受土体作用而产生的竖向沉降变形为主。     

粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究

本文以粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道为工程背景,分析了地表变形特征随盾构掘进参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析,提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。研究结果表明:不同施工参数对地表变形的影响存在显著差异,注浆量相对最大,刀盘扭矩和贯入度相对次之,刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。注浆量对地表变形的影响随隧道埋深的变化而变化,当隧道埋深小于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较大;当隧道埋深大于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较小。刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间存在较好的相关关系。当泥水压力比水土压力约大0.1 MPa,注浆压力比水土压力约大0.3MPa时,盾构下穿建构筑物造成的地表变形相对较小,盾构地质适应性得以显著优化。相关研究成果可为后续粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。     

砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的模型试验和计算研究

针对浅埋盾构隧道开挖渗流对开挖面支护压力和地层失稳模式的影响问题,考虑盾构机开挖仓渣土孔隙水压力和面板及开口率的作用,设计制作了水下地层浅埋盾构隧道的开挖渗流模型并建立了附近地层沉降的量测采集系统。在不同的稳态渗流条件下,逐渐加大盾构隧道开挖仓的进土量,量测开挖面水土压力和孔隙水压力以及附近地层沉降,并配合进行了数值模拟和极限平衡计算分析。研究发现：（1）开挖面有效土压力随开挖体积损失的增加而降低,达到极限值后保持不变;维持开挖面稳定的必要支护压力与可以容许的地层失稳范围有关,开挖面的极限有效土压力与地层的极限失稳范围相对应,是最小的必要支护压力。（2）渗流会使开挖面的极限有效土压力增大,与开挖面-地表之间的水头差大致呈线性关系。（3）渗流会使开挖面前方地层的极限失稳范围增大,但对后方地层极限失稳范围的影响不大;对于开挖面-地表相对水头差较小（小于或等于0.33）的情况,渗流主要起到增大地层沉降量的作用,地层的极限失稳范围只是略有增大;对于相对水头差较大（大于0.33并小于1.0）的情况,渗流主要起到增大地层极限失稳范围的作用,而地层最大沉降量有所减小;对于相对水头差很大（大于或等于1.0）的情况,渗流对地层沉降量的影响和对极限失稳范围的影响都基本上已经达到了极限。（4）地层的极限失稳范围可以自下而上地划分成三个部分,开挖面高度范围内的倒棱锥体,地表以下一定深度范围内的（顶部）倒棱台体,以及两者中间一定高度的（中部）倒棱台体,其中,棱锥体的纵向锥角（或纵向破裂角）及横向锥角（或横向破裂角）都随着相对水头差的增大而增大,对地层极限失稳范围的影响最为显著。     

砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的模型试验和计算研究

针对浅埋盾构隧道开挖渗流对开挖面支护压力和地层失稳模式的影响问题,考虑盾构机开挖仓渣土孔隙水压力和面板及开口率的作用,设计制作了水下地层浅埋盾构隧道的开挖渗流模型并建立了附近地层沉降的量测采集系统。在不同的稳态渗流条件下,逐渐加大盾构隧道开挖仓的进土量,量测开挖面水土压力和孔隙水压力以及附近地层沉降,并配合进行了数值模拟和极限平衡计算分析。研究发现:开挖面有效土压力随开挖体积损失的增加而降低,达到极限值后保持不变;维持开挖面稳定的必要支护压力与可以容许的地层失稳范围有关,开挖面的极限有效土压力与地层的极限失稳范围相对应,是最小的必要支护压力。渗流会使开挖面的极限有效土压力增大,与开挖面-地表之间的水头差大致呈线性关系。渗流会使开挖面前方地层的极限失稳范围增大,但对后方地层极限失稳范围的影响不大;对于开挖面-地表相对水头差较小(小于或等于0.33)的情况,渗流主要起到增大地层沉降量的作用,地层的极限失稳范围只是略有增大;对于相对水头差较大(大于0.33并小于1.00)的情况,渗流主要起到增大地层极限失稳范围的作用,而地层最大沉降量有所减小;对于相对水头差很大(大于或等于1.00)的情况,渗流对地层沉降量的影响和对极限失稳范围的影响都基本上已经达到了极限。地层的极限失稳范围可以自下而上地划分成3个部分,开挖面高度范围内的倒棱锥体,地表以下一定深度范围内的(顶部)倒棱台体,以及两者中间一定高度的(中部)倒棱台体,其中,棱锥体的纵向锥角(或纵向破裂角)及横向锥角(或横向破裂角)都随着相对水头差的增大而增大,对地层极限失稳范围的影响最为显著。     

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。     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

泥水平衡盾构开挖时,泥浆与开挖面上的土体会形成一层不透水的泥膜,以便泥浆压力有效地作用在开挖面上。但由于刀盘的不断切削,泥膜并不能完全地阻止泥浆对前方土体的渗透,特别是在渗透性较大的砂性土体,或在特殊地质条件下出现泥浆与土体性质不匹配的时候。这种渗透将会减小泥浆对开挖面的支撑作用,过剩泥浆压力将以渗透力的形式作用于开挖面土体。为了定量考虑渗透对开挖面稳定性的削弱,提出了针对泥水平衡盾构开挖面稳定性的泥浆渗透模型。结合极限平衡法的村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对泥水压力进行折减,得到了泥浆渗透模型的开挖面稳定性安全系数,并采用此渗透模型探讨了泥浆渗透对开挖面稳定性的影响。通过与工程算例对比分析表明,实际工程中所需的泥浆压力明显大于“薄膜模型”的计算结果。因此,采用渗透模型进行开挖面稳定性分析是合理、有效的。     

盾构掘进引起地表沉降的多因素敏感性分析

为了研究各因素在盾构法施工中对地表沉降的影响程度,基于敏感性分析原理,针对一地铁盾构实例,选取土体弹性模量、土仓压力、地下水等3个影响地表沉降的因素,通过变化某一基准参数,让其余影响因素固定,分析研究了盾构施工引起地表沉降对各因素的敏感性。结果如下:弹性模量提高10%时,地表累积最大沉降量可减小15%～20%;在地下水存在的情况下,地表沉降显著增大;而对于砂性土而言,土仓压力越高地表沉降值略有增加。研究结果表明:地表沉降对穿越地层的弹性模量和地下水比较敏感,而对土仓压力敏感性较小。     

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。