湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,其管片采用斜螺栓连接,错缝拼装,分别采用修正惯用法及梁-弹簧法计算最大覆土断面与最大水深断面管片的受力,并将实测管片受力、水-土压力值与理论计算结果进行比较,分析水-土压力分布模式,结果表明,修正惯用法与梁-弹簧法均可以较好地模拟隧道管片的受力形态,而梁-弹簧法比修正惯用法更接近实测结果;管片呈压扁状态,梁-弹簧法结果受封顶块的位置影响较大;太沙基松弛土压力及水-土压力线性分布模式对深埋海底隧道是适用和安全的;对于本工程来说,管片外荷载以径向水压力为主,是影响管片轴力的主要因素。以上成果可为今后跨海高水头盾构隧道管片的设计及施工提供参考。     

盾构隧道管片上浮问题研究

盾构隧道施工过程中衬砌管片上浮问题是客观存在的,且一直是较难解决的问题之一,而大直径盾构隧道的上浮问题表现的更为突出。应用有限元法,对地层材料的物理力学性质、注浆材料的性质等影响盾构衬砌环上浮的因素进行了分析。根据分析结果,结合对衬砌结构在施工过程中受力状态的分析,对衬砌环上浮的原因进行了阐述,据此针对大直径盾构隧道的特点,提出了施工、设计过程中控制衬砌管片上浮的对策和措施,可为盾构隧道的施工和设计提供参考。     

扩挖盾构隧道建成两连拱地铁车站模型试验

采用模型试验进行了扩挖盾构隧道建成两连拱隧道地铁车站的施工方案研究,重点研究扩挖施工的可行性和地层位移规律。同时,采用有限差分法进行了扩挖施工全过程二维数值模拟对比分析。结果表明,采用中导洞法扩挖建成两连拱隧道地铁车站的施工方案是可行的,但需进行拱脚和拱顶加固。施工完成后地层竖向位移场呈U型分布,随着加固地层力学参数的提高,地层位移减小,拱脚加固能够有效地减小地层位移。地表沉降曲线为近似正态分布,其宽度为3倍的车站结构总宽度。     

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象,对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算,探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响,揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性,提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。     

复杂条件下地铁跨海隧道土建设计方案研究

大连某地铁跨海隧道工程地质条件复杂,临近加油站、大型船舶制造基地等建筑,同时下穿既有地铁、货运铁路、军港及大量建筑物,施工难度大、风险高。针对跨海隧道的特点和难点,从路由方案、工法比选、横断面方案、平面纵断面方案、盾构管片设计等方面进行分析,研究表明:(1)在本工程特定的环境条件下,应采用对环境影响小、施工风险较低的单洞双线大盾构方案跨海隧道施工工法;(2)隧道覆土最深处为管片受力的控制工况,内力最大值位于拱顶;(3)综合考虑机械设备和现场实施条件,2 m的管片环宽使隧道内环缝数量最少,对提高隧道的纵向刚度、加快施工进度、降低造价均有利;(4)采用拼装自动化程度高的通用型管片环方案,节约钢模数量,易于纠偏;(5)跨海隧道穿越地层软硬不均、结构受力较大,同时考虑抗震等要求,管片环、纵向连接接头均采用斜螺栓连接。     

盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站地表沉降控制标准分析

在盾构隧道基础上结合浅埋暗挖法可以有效地解决地铁车站和盾构隧道施工之间的矛盾。北京地铁14号线试验段采用外径为10 m的土压平衡盾构修建,试验段上的车站结合PBA法（洞桩法）扩挖而成。综合运用预测地表沉降的经验公式、相关统计资料和规范,以及数值模拟方法,对大断面盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站的施工过程进行地表沉降分析。结合北京地铁车站地表沉降控制基准值和现有地铁车站地表沉降统计数据,提出较为合理的地表沉降控制标准,并按照三级控制的管理方法,分级分步进行地表沉降控制,研究结果对指导工程施工有一定的参考价值。     

地铁盾构隧道近距离上穿既有线路纵向变形计算方法

针对新建地铁盾构隧道近距离上穿施工引发运营地铁线路不均匀变形问题,将既有线盾构管片视为一系列位于Pasternak基础上由拉伸弹簧、压缩弹簧和剪切弹簧连接的弹性地基短梁,考虑了管片间转动效应和剪切效应以及管片与土体相互作用,建立了基于Mindlin理论的新建盾构隧道施工引起的附加应力以及基于最小势能原理的既有隧道纵向变形的计算方法。结合实测数据与已有方法对比,验证了方法的适用性,并根据工程实例,采用该方法对影响纵向变形的管片连接、土体力学参数、新线与既有线相对位置参数及加固效果进行了分析。结果表明：新建隧道施工至上穿部位时摩擦力f和注浆压力p对既有隧道变形影响较大,穿越既有隧道后纵向变形主要受卸荷附加应力F影响;随着管片间剪切刚度ks、抗拉刚度k T增大,既有线路隆起变形减小,其中ks影响相对较大,工程中可从增强ks和kT的角度控制隧道变形;环形支撑加固措施能有效控制既有线纵向变形,且环间距1.5 m、交叉点左右各3～5环可取得良好效果。     

使用图像分析方法研究整环加载试验中盾构管片的错台变化特征

随着盾构法隧道施工技术的发展,管片错台可能引起管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题,这对隧道安全施工和正常运营具有较大影响。为了分析盾构隧道管片在侧向荷载作用下的错台变化特征,进行了整环加载试验。在介绍整环试验方法(包括加载装置、荷载设计、测试内容)的基础上,使用图像处理技术对加固前后衬砌圆环加载过程中管片接缝两侧的错台变化进行了研究,根据加载过程中不同时刻的试验图像,使用粒子图像测速技术研究了管片加载引起的错台变化特征及整环加固后复合材料中的位移变化特征。结果表明:加固前封顶块与邻接块间错台最大,邻接块与标准块间错台次之,标准块与底块间错台最小;复合材料加固后,封顶块与邻接块间错台比加固前明显减小,邻接块与标准块间错台比加固前少量减小,标准块与底块间错台变化幅度大于加固前的数值;整环加固阶段,封顶块与邻接块处复合材料位移变化幅度较大、与管片错台大小相近,标准块与底块处次之,邻接块与标准块处最小、且主要由加载设备振动引起。本文结果对隧道衬砌破坏机理研究有一定的参考价值。     

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。     

叠落盾构隧道受力分析及管片配筋

在现代城市轨道交通建设中,上下叠落地铁盾构隧道越来越多,这类叠落盾构隧道相互影响,塌落拱多次叠加,传统解析法计算隧道围岩压力存在困难,目前缺乏相应的叠落隧道围岩应力计算方法。为了研究叠落盾构隧道受力分析及管片配筋,以北京地铁6号线南锣鼓巷站—东四站叠落盾构隧道为工程实例,根据弹塑性理论模拟隧道开挖过程计算塌落拱多次叠加,结合强度折减法计算叠落隧道塑性区,然后根据塑性区计算塌落拱高度和围岩压力;根据厚壁圆筒理论,计算盾构施工和列车运营对下方隧道附加应力;根据以上分析,计算叠落隧道的下方盾构隧道管片内力并配筋。     

浅层气地层对地铁隧道稳定性影响模型试验研究

根据杭州地区地下浅层气的分布规律和赋存特点,结合杭州地铁工程,设计了一套模型试验系统。借助物理模型试验,研究了浅层含气土层中气体释放和再回聚对地铁隧道受力稳定性的影响。试验结果表明,在含浅层气地层中穿过的地铁隧道,土中气体的释放和再回聚会使隧道产生附加变形与附加内力;气体变化过程对隧道管片截面相对变形和内力的影响较弱,而对隧道整体变形则具有显著影响;气体释放后的再回聚过程对隧道结构变形和内力的影响明显小于前期的气体释放过程。处于含浅层气地层区域的地铁隧道,应将隧道的整体稳定性作为控制重点,并且施工前,宜将地层中气体进行超前有控排放,以减弱后期给地铁工程带来的不利影响。     

近距离重叠隧道盾构施工的纵向效应及对策研究

上下重叠隧道施工时,后挖隧道施工过程对先建隧道是一种“卸载”作用,受此影响,先建隧道的衬砌管片将朝后挖隧道方向变形,但这种影响作用是暂时的。以深圳地铁3号线老街站-晒布路站区间重叠隧道工程为背景,采用三维有限元数值计算和室内离心模型试验相结合的手段,对上部隧道（后挖隧道）施工引起的下方已建隧道纵向变位进行了研究。结果表明,后挖隧道施工引起的先建隧道不均匀沉降主要出现在约掌子面前方3.5D（D为隧道直径）到后方3D的范围内。基于此,探讨了应对这种暂时纵向效应的对策措施,主要包括临时压重和临时内撑。在先建隧道位于掌子面后方(0~1)D、(1~2)D、(2~3)D范围内分别设置20 t/3 m、20 t/6 m、20 t/9 m的临时压重,且在掌子面前方4D和后方4D范围内为先建隧道设置临时内撑,可以较好地减小由于后挖隧道施工引起的先建隧道附加不均匀变形。     

浅埋偏压连拱隧道施工的力学响应分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为背景,用MARC有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟。系统研究了塑性区分布和发展、拱顶下沉、正应力与剪应力的集中和转移、中隔墙竖向应力随施工过程的变化规律。研究表明:1.非对称开挖是引起中墙偏压的最关键因素,初衬和二衬的施作对改善中墙偏压作用不大,对称开挖才是最有效途径;2.在浅埋条件下,拱顶下沉有随埋深增大而增大的趋势,位移释放在开挖完成、支护之前就已经大部分完成。3.左右洞上台阶开挖后拱顶出现拉应力区,是易坍方部位,应超前或及时支护;4.由于偏压作用,山脊一侧边墙和中墙墙踵处塑性区更发育,该侧更易失稳;5.施工完毕,隧道两侧边墙附近集中的压应力转移到二衬和仰拱上,使二者成为应力集中部位,从而改善了隧道围岩的受力状况。     

Monitoring of Three-dimensional Additional Stress and Strain in Shield Segments of Former Tunnels in the Construction of Closely-Spaced Twin Tunnels

In recent years, with the development of urbanization, the construction of closely-spaced twin tunnels is becoming more and more common. How to ensure the safety of the former tunnel during the construction of the later tunnel has become the focus of the construction of closely-spaced twin tunnels. To study the safety of the former tunnel segment structure, this paper analyzed the field monitoring data of practical engineering (the section with the minimum separation (4.5 m) between the twin tunnels from Anyuanxi station to Chunshenhu station on the Suzhou Metro Line 4 in Jiangsu, China) and obtained the dynamic change law of additional stress and strain of the former tunnel segment under the influence of the construction of later tunnel. Based on this research, the following conclusions were drawn: (1) The maximum circumferential tensile stress on the segmental structures was shown to be 2.62 MPa at the horizontal position on Section S2 in the side adjacent to the later tunnel, which should be main monitored. (2) The maximum values of the vertical deformation and peripheral convergence of the segments were 16.21 and 17.39 mm, separately, both of which were less than two-thirds of the allowable deformation. Therefore, the shield tunnel deformations were within allowable limits. This research results can provide guidance for similar engineering.     

黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析

为探明黄土地层中地铁盾构隧道管片衬砌结构与周围土体的相互作用关系,以西安地铁2号线穿越老黄土地层盾构隧道为研究对象,对实际作用于管片衬砌结构的水压力、土压力及主体结构内力（轴力、弯矩）进行现场动态跟踪测试,分析施工过程中盾构机动态掘进及后期稳定后的土-水压力对管片结构受力的影响。结合利用管片内力的现场实测值,采用正交试验设计分析方法,定义优化分析函数,反演分析黄土地层中盾构隧道管片衬砌结构设计荷载的合理计算参数。通过对比分析表明,运用优化后的设计参数得出的计算内力值与实测值在量值与分布上均较为接近,证实了分析方法的可行性、合理性,其成果可供类似工程设计参考。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

南京地铁运营隧道变形的工程地质机理研究

根据南京地区的工程地质与水文地质条件和多年隧道结构变形的监测资料,系统分析了不同地貌单元内隧道结构的变形特征,指出影响南京地铁隧道结构变形的主要工程地质因素是盾构隧道的软土问题和矿山法隧道的水文地质问题。结果表明:南京地区发育不同成因类型的软土,特别是长江河谷平原区软土,具有高孔隙比、高含水量、高压缩性、结构性强等特性,易导致隧道结构发生不均匀沉降。同时,穿越丘岗地区的矿山法隧道,一旦上游水源补给量超过正常值时,易导致隧道结构的衬砌逐渐抬升变形甚至引发运营中断事故。这一研究成果为南京地铁运营隧道结构变形分析提供了工程地质方面的理论基础,以便采取针对性的措施及时控制变形,确保安全营运。