考虑埋深与剪切效应的基坑卸荷下卧隧道的形变响应

基坑卸荷将对下卧既有隧道产生附加荷载。结合工程实际,提出考虑隧道剪切效应及埋深效应的基坑开挖下卧隧道形变响应的半解析解。引入能考虑隧道埋深的修正基床反力系数,再由Mindlin解给出基坑卸荷对下卧隧道产生的附加荷载。视既有隧道为埋置于Pasternak地基上的Timoshenko梁,将附加荷载施加于隧道并计算其响应,提出可考虑隧道埋深及剪切效应的下卧隧道在基坑卸荷下的响应解。与三维有限元数值模拟、杭州地铁一号线九寨河基坑的测量结果的对比,验证了所提方法的准确性。针对隧道等效抗弯刚度、等效剪切刚度对隧道内力及变形的影响进行系统的敏感性分析。结果表明,采用Timoshenko梁模拟隧道可更好地分析隧道的力学响应;当提高隧道抗弯刚度,隧道的位移值、弯矩值和剪力值会显著下降,但其分布范围会增大;隧道最大正弯矩及最大剪力所在位置保持不变,不受隧道抗弯刚度值的影响,但最大负弯矩所在位置会随抗弯刚度的增大向隧道两端移动,当隧道剪切刚度超过抗弯刚度的20%时隧道位移、弯矩、剪力几乎均不再受剪切刚度的影响。所得结论可为类似工程提供一定理论支持。     

考虑埋深与剪切效应的基坑卸荷下卧隧道的形变响应

基坑卸荷将对下卧既有隧道产生附加荷载。结合工程实际,提出考虑隧道剪切效应及埋深效应的基坑开挖下卧隧道形变响应的半解析解。引入能考虑隧道埋深的修正基床反力系数,再由Mindlin解给出基坑卸荷对下卧隧道产生的附加荷载。视既有隧道为埋置于Pasternak地基上的Timoshenko梁,将附加荷载施加于隧道并计算其响应,提出可考虑隧道埋深及剪切效应的下卧隧道在基坑卸荷下的响应解。与三维有限元数值模拟、杭州地铁一号线九寨河基坑的测量结果的对比,验证了所提方法的准确性。针对隧道等效抗弯刚度、等效剪切刚度对隧道内力及变形的影响进行系统的敏感性分析。结果表明,采用Timoshenko梁模拟隧道可更好地分析隧道的力学响应;当提高隧道抗弯刚度,隧道的位移值、弯矩值和剪力值会显著下降,但其分布范围会增大;隧道最大正弯矩及最大剪力所在位置保持不变,不受隧道抗弯刚度值的影响,但最大负弯矩所在位置会随抗弯刚度的增大向隧道两端移动,当隧道剪切刚度超过抗弯刚度的20%时隧道位移、弯矩、剪力几乎均不再受剪切刚度的影响。所得结论可为类似工程提供一定理论支持。     

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM）;其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可...     

盾构隧道掘进引起上方已建隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道施工中经常遇到新建隧道下穿上方已建隧道的例子,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将新建隧道对已建隧道的作用简化为高斯分布荷载,建立了新建隧道施工对上方已建隧道影响的解析分析方法;并利用离心机试验结果进行了验证。分析了地层损失率、荷载形状参数和隧道与土体相对抗弯刚度对已建隧道纵向变形的影响。探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁;对于抗弯刚度较大的隧道（如抗弯刚度大于7.54×106 kN?m2）,Kerr地基梁具有较好的适用性;已建隧道的剪切刚度对其纵向变形何纵向曲率产生显著影响;当隧道等效剪切刚度有效系数≤1/4时,必须考虑隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。将所提分析方法应用于上海盾构隧道穿越工程中,并与现场实测结果进行对比,验证了方法的合理性。     

地面超载引起邻近埋地管道的位移分析

地基土承受超载作用时就会产生沉降,在土体沉降作用下埋置于其中的管道,管壁就会产生变形甚至破裂。为分析地面超载对临近地下管线的影响,基于温克勒（Winkler）弹性地基短梁理论,应用Boussinesq解,考虑地面超载引起下卧层的沉降及地基土体的侧向移动对管道的影响,建立地面超载对埋地管道影响的分析计算模型,并采用有限差分法进行求解;通过算例分析了超载大小、位置,管道刚度、埋深、管径以及土体性质对埋地管道位移的影响;结果表明：超载大小、管道的刚度、埋深、管径对地下管道位移的影响较大,而当地基基床系数和超载离管道的距离增大到一定值时,地面超载对其影响将减弱。因此,需要考虑邻近超载对管道的影响,合理制定埋地管道的保护措施。     

基坑开挖及降水引起下卧隧道变形的解析解

基坑开挖及降水打破周围土层的平衡应力场,对下卧盾构隧道造成不良影响。采用两阶段分析法提出了基坑开挖及降水共同作用引起的下卧隧道纵向变形解析解。在第1阶段采用Mindlin弹性解与有效应力原理分别计算出基坑开挖与降水对下卧隧道造成的附加应力;第2阶段将盾构隧道视为Timoshenko梁搁置在Pasternak地基模拟隧道与土的相互作用,通过叠加法推导出隧道纵向变形解析解。通过与工程实例监测数据的对比,验证了方法的正确性,并进一步分析了基坑开挖长度、宽度、深度、隧道埋深、水位降深及与基坑相对位置等因素对隧道纵向位移的影响。结果表明：随着基坑开挖长度、宽度和深度的增加,隧道最大隆起值均明显增大;隧道变形随着隧道埋深的增加而减小;坑内水位降深的增加将导致隧道隆起值减小而沉降值增大;随着隧道轴线与基坑中心距离的增加,可依次为隆起值减小区、沉降值增大区及沉降值减小区。     

应用P—S曲线分析非线弹性地基上的欧拉——伯努利梁

在较大外荷载下,搁置在地基上的Bernoulli—Euler梁下部的土体会发生塑性变形。在使用有限差分法离散了文克勒地基梁（Winkler）的控制方程后,形成了线性代数方程组,然后调用计算机Fortran程序进行了求解。利用p-s曲线,通过迭代,使用有限差分法求解了考虑土体塑性的变基床系数的Winkler地基梁的位移。计算结果表明：通过p-s曲线和变基床系数的Winkler地基梁模型,可近似分析出地基在外荷载作用下是进入弹性阶段还是弹塑性阶段,并给出较为合适的地基沉降值。最后,讨论了算法的应用范围。     

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。     

基坑开挖卸载引起下卧已建隧道的纵向变形研究

城市地下空间开发中经常遇到已建隧道上方进行基坑开挖的情况,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将Mindlin基本解积分得到已建隧道纵向上的附加荷载,建立了基坑开挖卸载对下卧已建隧道影响的解析分析方法,探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁,当隧道等效剪切刚度有效系数 时,已建隧道的剪切刚度对其纵向变形和纵向曲率产生显著影响,必须予以考虑。将文中的分析方法应用于郑州市某基坑工程,通过实测数据反分析得知水泥土有效卸荷系数为0.22,对快速开挖、快速等量加载的抽条开挖方式用各条基坑独立开挖,计算结果叠加的方法进行预测,将预测的结果与地铁最终上隆量进行对比,较为吻合。     

隧道开挖条件下地埋管线的非线性响应分析

隧道开挖引起的地层不均匀沉降造成附近的地埋管线产生额外的变形,甚至破坏。被动管线与土体的相互作用的研究表明,不考虑土体的刚度衰减,较大的土体弹性模量使得管线的最大弯矩计算结果过大,偏于保守,造成不必要的浪费。在被动管线Winkler地基模型分析基础上,引入土体刚度衰减模型考虑土体非线性特性,提出了隧道开挖作用下管线响应的等效线性分析方法。基于自由土体位移场计算管周土体由于隧道开挖引起的附加应变,基于水平受荷桩的环状弹性介质模型考虑由于管土相互作用引起的管周土体应变,从而对被动Winkler地基模型的土体弹性参数进行修正,计算得到管线的最大弯矩。通过与现有的弹性理论方法、离心模型试验结果的对比,验证了针对隧道开挖引起的被动管土相互作用问题,该方法考虑土体非线性特性的合理性。     

Timoshenko beam solution for the response of existing tunnels because of tunneling underneath

An analytical solution for the deflection and internal forces of an existing tunnel because of tunneling underneath is presented. The existing tunnel is modeled as a Timoshenko beam resting on a Winkler foundation, which takes into account the contribution of shear deformation to the total deflection of the existing tunnel. The validity of the analytical solution is verified by a centrifuge test, and the merit of this analytical method is confirmed by comparison with the conventional Euler–Bernoulli beam model. Influential factors on the behavior of the existing tunnel are investigated by consideration of the variations of subgrade modulus, ground loss induced by the new tunnel construction, vertical clearance between the new tunnel and the existing tunnel, and relative existing tunnel–soil stiffness. Results show that the proposed analytical method is a valid and effective method to evaluate shearing‐induced deformation in existing tunnels with large diameters. Results also show that the pattern and the amplitude of the response of the existing tunnel are affected largely by ground loss induced by the new tunnel construction, vertical clearance between the new tunnel and the existing tunnel, and relative existing tunnel–soil stiffness. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Soil–pipe interaction due to tunnelling: Assessment of Winkler modulus for underground pipelines

One of the key problems in the implementation of Winkler models to analyze tunnelling effects on existing pipelines lies in the assessment of subgrade modulus under external soil displacement. In this paper, an expression of the Winkler subgrade modulus for a pipeline buried at arbitrary depth and subjected to free soil displacement with arbitrary curve shape is given. Using superposition principle and the Fourier integral, the subgrade modulus of an infinite beam resting on the surface of an elastic half space and buried infinitely are obtained respectively. Then the influence of embedment depth is estimated based on Mindlin and Kelvin solution. The validity of the proposed subgrade modulus is verified by comparison with the results from an elastic continuum solution and two centrifuge model tests for the responses of buried pipeline due to nearby tunnelling. Thereafter, parametric studies are shown to assess the accuracy of the proposed subgrade modulus by comparing with an elastic continuum solution in homogeneous and non-homogeneous soil stratum and the amount of error is estimated.     

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。     

盾构下穿高铁路基变形规律模型试验研究

为了探究盾构下穿施工对高铁路基U型槽结构和地层的变形影响规律,以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,设计了试验监测系统,采用φ1 200 mm小型盾构机进行了盾构隧洞顶距路基管桩底不同距离的2组室内模型试验。结果表明：随着距离盾构隧道拱顶距离的增大,地层沉降减小,盾构施工对地层的影响范围约为2倍洞径,显著影响区为1倍洞径;随着埋深的增大,盾构施工引起结构下方地层的沉降减小,距盾构隧道顶距离分别为0.5倍洞径和1倍洞径时沉降最大差值为10%;U型槽结构与相邻地层间产生脱空,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。建议管片拼装完成后采用保水性好且有一定早期强度的注浆填充材料,以控制沉降变形,同时进行地层深孔注浆,及时充填松动地层孔隙,增加地层密实度。     

盾构施工引起的地表横向沉降槽分析

基于龙东路-世纪公园站区间隧道现场实测资料,对由盾构施工引起的沉降槽的形状进行了深入研究。首先绘出埋深不同的沉降槽的实测形状;再利用数学拟合方法对沉降槽的形状、影响范围、宽度系数及最大沉降量出现的位置进行的研究,指出它们均与隧道的埋深有着密切的关系;最后,用统计学的方法给出隧道埋深与最大沉降量以及沉降槽宽度系数与隧道埋深之间的定量关系式。