盾构施工对不同位置地下管线变形的影响模拟试验研究

基于室内盾构模拟试验,研究管隧垂直、斜交和平行工况下盾构开挖对管线变形的影响。以合肥在建地铁为工程背景,主要对管线的沉降、变形和相对转角等规律进行模拟试验研究。研究结果表明,二次扰动更容易使土体产生沉降,对土体中的地下管线的位移影响更大;隧道在开挖过程中沿隧道轴向的管线变形与沿隧道环向的影响范围不同,隧道开挖对地下管线产生的环向变形影响大于轴向变形影响;隧道开挖使管线下方土压力发生变化,中间段管线下方产生荷载临空区域,土压力逐渐减小,两边缘端产生附加应力逐渐增大。研究成果可为盾构施工对地下管线变形影响的预测提供相应的控制破坏依据。     

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。     

盾构隧道施工对邻近承载桩基影响研究

针对苏州轻轨1号线成层非均质土地基,选用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,建立三维有限元数值模型,研究非均质土中盾构隧道施工对邻近承载桩基工作性状的影响规律。数值计算结果表明,随着成层非均质土中各土层软硬程度差异的增大,隧道开挖会在邻近承载单桩引起明显反弯点,且桩体沉降亦随之增大;位于上软下硬成层土中的承载单桩桩身正弯矩更大,且该正弯矩出现在桩身中上部的反弯点部位,而上硬下软成层土中的承载单桩下部出现更大的负弯矩;与均质土中同位置承载单桩相比,位于上软下硬成层土中承载单桩桩顶及桩端轴力均更大,而位于上硬下软成层土中承载单桩桩顶轴力则更小。不同竖向集中荷载作用下,非均质土中盾构隧道开挖引起的承载群桩中前桩水平位移沿桩身分布与同位置承载单桩重合,后桩挠曲程度小于承载单桩;盾构隧道施工对承载群桩内力的影响明显高于对变形的影响。     

基坑开挖对涉支护结构下穿盾构隧道变形的三维模拟与影响规律研究

依托某大厦基坑支护工程项目,研究深厚软土地层中基坑开挖对涉支护结构下穿盾构隧道变形的影响规律。采用三维有限元数值模拟分析隧道顶部支护桩的长度对支护结构变形和隧道隆起的影响,并将数值模拟结果与现场监测结果进行对比。结果表明：深厚软土地层中基坑开挖对下穿盾构隧道产生了较大的隆起变形;因下穿隧道的影响,隧道顶部支护桩嵌固深度的减小对支护结构的变形和下穿隧道的隆起会产生重要影响,当支护桩底与隧道顶的竖向间距S＞4 m或支护桩边缘与隧道边缘的水平间距S1＞4 m 时,支护桩的踢脚位移和下穿隧道的隆起变形迅速增加。研究成果可为类似工程提供应用参考和理论支撑。     

隧道开挖对地下管线的影响分析

采用Abaqus有限元分析软件,建立三维模型,模拟隧道开挖对地下管线的影响,充分考虑了不同的埋深、材质、下卧层刚度等条件。结果表明,管线周围土的性状,与双线隧道的相对位置以及管线自身刚度、管径等不同,将对其变形和内力产生较大影响,从而得出一些规律,为今后类似工程施工提供依据。     

不均匀土体位移引起地下管线弯曲变形研究

隧道开挖和管线置换引起的应力变化将不可避免地导致土体位移,进而对上覆既有管线产生诸多的不利影响。国内外学者对管-土相互作用开展了大量的研究,但用于预估隧道开挖和管线置换引起既有管线弯曲变形的简单并且有效的设计图表尚未提出。采用ABAQUS商业软件,对隧道-土-管线、管线置换-土-管线间的相互作用开展系统的有限元仿真模拟。通过采用管线不同运动方向下的等效管-土相对刚度,提出了隧道开挖和管线置换引起的管线弯曲变形的设计图表,并采用现场实测数据和离心模型试验结果验证此设计图表的合理性。设计图表中的管线最大弯曲曲率与土体最大曲率的比值和管-土相对刚度具有非常好的相关性。工程师一旦得到隧道开挖或管线置换引起的土体位移、管线尺寸、管线参数和土体参数,此设计图表可用来预测隧道开挖或管线置换引起既有管线的最大弯曲曲率。     

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。     

隧道开挖对邻近地下管线的影响预测分析

隧道施工会引起周围土体移动,进而对邻近地下管线产生危害。采用Loganathan公式计算隧道开挖引起的管线平面处的土体竖向位移,对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,推导出地下管线由于隧道开挖引起的弯矩和变形计算公式。通过相关算例的分析,与连续弹性解和Attwell解的计算结果进行了比较,研究结果表明,提出的方法可以很好地预估地下管线所受的弯矩。     

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。     

基于盾构隧道纵向沉降的纵向等效刚度反分析

随着我国经济建设的深化,城市轨道交通建设得到迅速发展。在盾构隧道常见病害中,盾构隧道纵向沉降会对隧道纵向性能造成不利影响。盾构隧道结构刚度是结构性能的重要力学性能指标之一,采用盾构隧道纵向等效连续化模型,分别对于纵向等效刚度为常数以及沿盾构隧道纵向变化的情况,基于盾构隧道纵向沉降对纵向等效刚度进行反分析,探究盾构隧道纵向沉降对隧道纵向等效刚度的影响。分析得出,（1）当隧道纵向刚度有效率? 沿隧道纵向为常数时,随着实际沉降的增大,隧道纵向刚度有效率? 变小,且随着实际沉降的增大趋于平稳;（2）当隧道纵向刚度有效率 沿隧道纵向变化时,实际沉降与理论沉降之比小于1时,反算出得到的隧道纵向刚度有效率 沿纵向中间大,两边小;实际沉降与理论沉降之比大于1时,反算得到的隧道纵向刚度有效率 沿纵向中间小,两边大;（3）根据反算出的纵向刚度有效率 计算所得到的沉降曲线与实际沉降曲线有所差异。     

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。     

盾构下穿非连续管线变形特性及预测方法研究

城市地下管线采用承插式接口连接,管线结构的连续性与否取决于接口刚度。然而,现有研究大都假定地下管线为连续结构,忽略了接口转角对管线变形的影响。开展土工离心模型试验和两阶段有限元参数分析,系统研究了盾构下穿不同接口刚度管线的变形特性。发现非连续管线的薄弱接口导致其整体抗弯刚度明显小于连续管线,且接口转动导致非连续管线具有更好的与土体协调变形能力。因此,盾构下穿施工引起的非连续管线沉降明显大于连续管线。非连续管的结构连续性假定将大大低估管线沉降。盾构下穿引起的接口转角与地层损失呈线性关系。基于系统的有限元参数分析,建立了区分相对刚性、柔性管线的无量纲组。针对相对刚性、柔性的非连续管线,分别建立了管节相对长度、管-土相对刚度与接口转角的预测方法,利用离心模型试验结果验证了预测方法的合理性。新方法能有效地预测盾构穿越地下管线的接口转角,研究成果可应用于城市地下管网改造工程。     

盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究

采用Loganathan公式研究了盾构隧道下穿管道施工引起的地下管道处土体竖向位移，利用考虑土中剪力传递的Pasternak模型模拟管-土相互作用，运用修正Vlasov模型中的迭代流程计算出Pasternak模型的关键参数——弹性系数k与剪切系数gs。将计算结果与已有文献结果及工程监测数据进行对比，深入分析了迭代求解k、gs值的Pasternak模型与传统模型的计算差异，并进一步研究了土中剪力、管道与隧道的夹角、土体弹性模量及隧道半径的变化对管-土相互作用的影响。研究结果表明：迭代求解的k、gs值能提升Pasternak模型的精确度；土中剪力对管道竖向位移计算值的影响可达15.3%；随着管道与隧道夹角的减小，管道的竖向位移增大、弯矩减小；土体弹性模量与隧道半径的增大均会增加管道的竖向位移和弯矩。     

盾构法施工过程的有限元模拟

在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上,对部分仿真模拟细节进行了改进,改进了水平荷载的施加方法,用"等代层"来模拟盾尾建筑空隙,用预设单元的刚度迁移来模拟盾构的推进过程。通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中地表土体的位移与变形,计算得到的隧道横断面和隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据比较接近,结果证明了模拟方法是可行的。     

Research on Construction Technology and Formation Deformation of Shield Tunneling Under River

In view of the construction technology and formation deformation of the existing rivers under the subway shield interval tunnel, relying on Zhengzhou rail transit line 17 shield tunnel through the south-north water transfer channel project, using the trial tunneling method of shield tunnel test section to optimize all kinds of construction parameters, and the formation analysis and calculation of the determined digging pressure, noting the final parameters that are determined by comparison between the extractive parameters such as pulp pressure, and they are used in MIDAS GTS/NX finite unit analysis software for numerical simulation analysis, combined with on-site testing, to study the variation of different depth formation subsidence values and horizontal displacement values when passing through the south-north water transfer canal under water conditions, and put forward the reinforcement scheme of shield tunneling through the general river bed and hole. The results show that the maximum subsidence of the trunk canal shield through the bottom is 11.3 mm, and the verification parameters are reasonable and feasible. The horizontal subsidence trough of the soil above the over-soil layer at the top of the main canal embankment is distributed by Gauss. The sinking distribution can be estimated using the Peck formula, the middle of the layer subsidence trough is distributed horizontally, and the soil subsidence trough below it is inverted hump-like distribution, with the peak point directly above the center line of the two tunnels, and the vertical zero horizontal displacement surface is located in the middle line position between the two tunnels, and the horizontal zero horizontal displacement surface is located. The horizontal displacement curve of the soil layer above the soil layer is inverted S-type, the maximum displacement appears at the anti-bending point of the surface sedimentation trough curve, the horizontal displacement curve of the soil layer on the horizontal zero horizontal displacement surface is zero, and the lower soil layer curve is double-inverted S-shaped. In the construction, we should pay attention to the monitoring of the vertical subsidence and horizontal displacement of the deep soil, adjust the shield parameters and reduce the horizontal and vertical shearing effect of the deep soil on the surrounding pipeline, inner pile base and other structures during the construction of the shield.

     

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。     

盾构动态掘进中围岩变形特性的数值实验研究

为了解软弱土层盾构隧道围岩的变形特性,结合某市地铁盾构下穿既有桥梁结构工程实例,建立每个分析步下盾构动态掘进三维数值模型。模型建立在库仑屈服准则和孔隙水达西定律推导的固结有限元方程上,综合考虑刀盘扭矩、推进力、土仓压力、桥基荷载及孔隙水压力等影响盾构施工质量的诸多因素,结合室内三轴实验和现场实测数据,对盾构动态掘进过程建模原理、模型合理性、围岩变形特性及桥梁结构安全等问题进行研究。研究结果表明:盾构掘进对围岩变形影响表现为接近、穿越和远离3个阶段;盾构接近断面时,受刀盘扭矩、推进力和土仓压力的影响,前方地表出现拱起;盾构穿过、远离断面后,围岩发生沉降、向隧道内和向前运动趋势,变形主要集中洞口上方,呈槽型;地表/桥基沉降计算和实测值吻合,围岩变形能够满足盾构隧道施工安全。     

盾构隧道穿越苏州河对防汛墙的影响分析

轨道交通11号线盾构隧道穿越苏州河将会对防汛墙的安全造成影响。为保证盾构顺利实施,拔高影响盾构穿越的桩基,采用双跨门洞式的结构型式对防汛墙结构加固改造。在保证防汛墙安全的前提下,为隧道穿越预留了足够空间。运用有限元数值模拟方法建立计算模型,对隧道穿越前后防汛墙结构的受力和变形形态进行分析。研究结果表明,隧道穿越前底板呈连续梁变形规律,长桩桩身中部和短桩桩端呈向外侧扩张的趋势,整个结构受力性状符合门洞式刚架结构的特性。隧道穿越后,底板的变形趋势与隧道穿越前变形规律相似,最大变形位于隧道上部跨中部位,而桩基变形形态则完全不同,隧道开挖引起长桩桩身中部和短桩桩端向隧道侧的变形,长桩呈挠曲变形,桩身最大变形位于隧道拱轴线附近,短桩呈刚体变形,最大变形位于桩端。经与实测沉降数据对比,盾构的穿越对防汛墙变形的影响处于可控状态,整体防汛墙计算沉降值与实测值较为接近。     

双线盾构施工时邻近地下管线安全性判别

研究双线盾构隧道施工时邻近地下管线的安全性判别方法。基于Winker弹性地基梁模型,考虑管土效应,建立连续管线应变与地表沉降关系式;假设管线位移与土体位移相同,建立非连续管线接头转角与地表沉降关系式;同时考虑管线老化,定义与时间相关的折减系数,建立一种通过测量地表沉降值即可判断管线安全性的方法。当管线应变或接头转角为安全允许值时,对应的地表沉降即为控制值。施工时,若地表沉降超过该值,则表明管线存在危险。该方法将不易监测的管线状态转化为可见的地表沉降。研究结果表明：预测值与实测值的对比说明了所提方法具有可靠性;双线隧道水平间距L值对地表沉降控制值的影响非常大。当L较小时,最大值出现在两隧道中轴线处;当L较大时,最大值出现在隧道轴线上方附近处;随着L的增大,最大控制值逐渐减小。