地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形

对地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法进行研究。考虑盾构轴线与水平面的夹角 （即隧道埋深变化）,对林存刚公式进行修正,结合正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失的共同作用,提出全新的土体垂直变形计算公式。算例分析结果表明：在隧道埋深较浅工况下,新方法计算结果与林存刚公式的计算结果差异较大,新方法计算得到的开挖面前方地面隆起和后方地面沉降均较大;盾构上仰掘进时,随着 增大,由正面附加推力、盾壳摩擦力及土体损失引起的纵向土体垂直变形曲线呈上移趋势,由附加注浆压力引起的纵向土体垂直变形曲线则呈下移趋势;地面沉降最大值变小,但地面横向沉降槽范围逐渐变大。     

盾构掘进、离开施工阶段对地表变形的影响范围及量化预测

针对盾构掘进中、离开后施工阶段,依据土体弹塑性应力-应变关系进行分析,准确预测地表变形量及影响范围具有重要的理论意义和工程应用价值。在导出隧道周围土体塑性松动圈范围的基础上,提出了盾构掘进中、离开后土体内产生的复合滑动面平面段与水平面夹角分别成45°-φ/2和45°+φ/2(φ为内摩擦角)的结论,推导了土体呈主动、被动状态复合滑动面安全系数F_s公式,并利用随机搜索法,找出可能的滑动面,量化确定盾构掘进、离开阶段横向扰动影响范围。盾构掘进中,地表隆起因盾构上部土体发生剪切位移引起,通过直剪试验曲线中控制应力τ_1、τ_2、τ_3及不同阶段剪切模量G_e、G_(p1)、G_(p2),并依据τ-l曲线控制应力τ_1、τ_2、τ_m及相对应的距离l_1、l_2、l_m。推导出剪切位移公式,预测地表隆起量;盾构离开后,地表沉降由盾构上部土体卸荷产生的负超孔隙水压力消散引起土体固结所致,应用修正剑桥模型中土体剪切应变预测沉降量。以武汉过江隧道为工程案例,对地表变形影响范围及隆沉量进行量化计算,得出盾构不同施工阶段横向扰动影响范围、地表隆起量与工程实测值吻合较好,卸荷沉降预测值与总沉降实测值趋势一致。     

新建盾构隧道上穿对既有隧道的变形影响分析

针对上海地铁11号线上、下穿越既有地铁4号线的多线叠交复杂工况,构建三维弹塑性有限元模型,研究在不同净距、不同土仓压力、不同注浆量下新建隧道盾构穿越对既有隧道管片变形的影响。根据模拟结果和实测数据,结合因素正交分析,提出多线叠交隧道施工影响系数的概念。研究结果表明,在新建隧道穿越既有隧道的过程中,新旧隧道之间的净距在影响系数中所占权重最大,土仓压力次之,注浆量权重较小。研究成果可为多线叠交盾构隧道施工微扰动控制技术以及隧道变形计算提供一定的理论基础。     

软土地区盾构施工参数对土体位移影响的滞后性试验研究

由于软土地区深部地层超孔隙水压等因素存在,调整盾构参数对土体位移的影响往往具有一定的滞后性,该时段施工参数调整效应并不完全发生在当前时段,更多影响该断面土体的后期位移。在上海软土地区盾构施工现场设置两相同断面监测土体位移,在盾构施工不同阶段调整关键施工参数,分析各参数对土体位移扰动的时效性。在盾构靠近监测断面前调整土仓压力,穿越断面时调整掘进速度,在盾尾脱出时调整注浆量。通过监测数据以及关联系数时间效应分析得知,在盾构穿越断面时土体位移受前期调整的土仓压力的扰动影响,盾尾脱出时的土体位移体现穿越断面掘进速度所引起挤土效应改变,而后期固结阶段土体位移量体现出盾尾脱出时注浆量增大所带来稳定控制效应。因此,施工时不仅需关注当前土体变形,还应对参数调整后土体变形趋势预测给以足够重视,以避免因忽略滞后效应而导致事故发生。     

杭州地铁盾构穿越群桩基础施工中的土体加固方法研究

盾构机在穿越桥梁群桩基础路段时,对土体产生扰动,极易引起桩基位移,危及桥梁上部通行和地铁隧道施工安全。杭州地铁一号线采用二次注浆+钢花管注浆加固的方式,使浆液充分填充盾构尾端土体孔隙,土体稳定性提高,通过现场试验,靠近隧道桩基的横向位移减小20%以上,地表沉降量平均减少6.1mm,有效保证了桥梁结构和地铁施工安全。     

软土地区盾构掘进速度对地层扰动现场试验研究

针对上海软土地区盾构隧道工程,在盾构穿越监测断面全过程调整掘进速度,观察监测断面的水、土压力以及地层稳定性变化。根据实测并结合土体固结比、承压水等地层土性影响,运用土体扰动机制综合评定掘进速度改变的影响规律。分析表明,盾构在软土地区4倍直径(D=6.2 m)埋深地层中施工,在盾构土舱压力、注浆量等参数均不变的条件下,仅调整千斤顶推进速度变化对土体压力及变形的扰动效应有较大影响。盾构推进速度降低会使水、土压力的扰动空间范围减小、扰动所产生的压力增量减小,也使地表隆沉变化值更稳定。相应变化值由埋深和推速降低比例决定。试验为今后判断软土地区4D埋深盾构掘进速度扰动效应提供参考。     

软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究

对盾构法隧道施工引起的土体扰动范围进行了分析,根据极限平衡原理,认为Loganathan公式中假定的土体损失边界条件存在误差。考虑到土体内摩擦角对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于（45°+? /2）,而不是45°。给出了修正的Loganathan公式,该公式适用于软土地区不排水条件。提出了盾构剪切扰动区范围的计算公式。算例分析表明,与Loganathan公式的计算结果相比,修正公式使沉降槽宽度和土体水平位移有所减小,计算结果与实测数据更加吻合。     

双圆盾构施工土体沉降参数敏感性分析

依托上海轨道交通M6线9标双圆盾构区间隧道工程,选取试验段对双圆盾构施工参数进行了敏感性分析。试验过程中调整土舱压力、盾尾注浆量、推进速度等施工参数,动态监测双圆盾构施工引起的横向、纵向深层土体沉降规律。所得结论对于双圆盾构施工参数优化、减小环境土工影响具有一定借鉴意义。     

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。     

盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法

盾构法隧道施工会引起隧道周围一定范围土体的位移,对土体位移进行较为准确地分析,对于控制隧道周围土体位移量和减小过大位移对既有建筑物及管线带来的危害十分重要。隧道周围土体的位移是由地层损失引起的,并且与注浆量有很大关系。根据地层损失与注浆量的空间分布规律,应用镜像方法原理,对盾构法隧道推进产生的土体位移与应力进行空间分析,得到隧道周围土体的位移与应力分布,计算结果与天津地铁施工过程的现场实测结果对比表明,该方法行之有效。     

昆明泥炭质土地铁盾构等代层压缩模量试验研究

在城市地铁盾构施工过程中,地表沉降是重要的工程问题之一,不但影响地铁隧道的安全建设,更直接关系到周边紧临建筑物的正常运营。等代层压缩模量是控制地表沉降的关键参数,特别是软弱土层中的地铁盾构。等代层注浆材料与土体的混合比例关系、注浆后的养护时间是直接影响其压缩模量的重要因素。本文依托昆明地铁3号线石咀段泥炭质土层盾构工程,进行注浆材料与泥炭质土的不同比例关系及不同养护时间条件下的压缩模量试验研究。探索泥炭质土层中盾构等代层中浆体与土体的合理比例关系,并提出注浆后何时能达到预期的等代层压缩模量,为泥炭质土地区地铁盾构施工提供参考。     

Geotechnical influence on existing subway tunnels induced by multiline tunneling in Shanghai soft soil

Multiline tunneling construction in soft soil significantly impedes risk control and environmental protection. Current research has investigated on the effect of single-line shield excavation on surrounding environments and tunneling for parallel-crossing or perpendicular down-crossing underground structures. However, minimal attention has been given to soil disturbances induced by multiline tunneling and complex overlapped interaction mechanics for adjacent structures, such as existing above-crossing and down-crossing subway tunnels. Few studies focus on oblique crossing construction and setting rules for the operation parameters of shield machines. Based on the Shanghai Railway transportation project and in situ monitoring data, the deformation analyses of existing subway tunnels induced by an earth pressure balance (EPB) shield during the process of above-overlapped and down-overlapped crossing tunnels with oblique angles are presented. The deformation analyses employ the three-dimensional finite element (3D FE) numerical simulation method, and the simplified analytical method. The analysis results from the theoretical methods are consistent with the monitoring data. The setting rules of multiline propulsion main parameters, including the earth pressure for cutting open, and the synchronized grouting, are also established. This study may provide a theoretical basis for the development of properly overlapped crossing schemes and geotechnical protective measures during multiline tunneling construction in soft soil.     

盾构法隧道施工的精细模拟

在分析了现有的部分细节仿真中存在问题基础上,提出在盾构开挖面前方设置开挖卸荷单元,来模拟开挖面土体的三维移动,改进了千斤顶推力的施加方法.通过施加已知结点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引起的地层损失,并通过设置横向和纵向三维Goodman接触面来模拟盾构前行、盾尾脱空及注浆作用下土体与结构间的接触.利用推荐的方法对一算例进行分析.结果证明了模拟方法的合理性.     

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。     

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。     

盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究

合理地模拟盾构隧道掘进的全过程及盾构隧道重叠段近接分区是一个难点。依托深圳地铁3号线红岭中路－老街－晒布段区间重叠隧道工程进行研究,建立了能全面反映盾构隧道掘进全过程的三维模拟方法,并采用摩尔-库仑屈服准则对盾构隧道重叠段进行了横向近接分区,同时采用位移变化速率准则对盾构隧道重叠段进行了纵向近接分区。研究结果表明,盾构隧道重叠段横向近接分区为：F≤F? 时为无影响区,F?＜F＜0时为弱影响区,当F≥0时为强影响区;纵向近接分区为：小于0.3 mm/d为无影响区,0.3～1.5 mm/d为弱影响区,大于1.5 mm/d为强影响区。研究成果应用于红岭中路－老街－晒布段区间重叠隧道取得了良好的效果,并为盾构隧道掘进全过程的数值模拟以及盾构隧道重叠段区间隧道的设计与施工提供了理论支撑,同时亦可为相似工程提供参考。     

Numerical investigation of tunneling in saturated soil: the role of construction and operation periods

This paper numerically investigates the slurry shield tunneling in fully saturated soils with different hydraulic conductivities in short- and long-term scales. A fully coupled hydromechanical three-dimensional model that accounts for the main aspects of tunnel construction and the hydromechanical interactions due to tunneling process is developed. An elasto-plastic constitutive model obeying a double hardening rule, namely hardening soil model, is employed in the numerical simulations. The research mainly focuses on assessing the influence of soil hydraulic conductivity and the method to simulate backfill grouting in the tail void on the evolution of ground subsidence, excess pore water pressure and lining forces. Two different consolidation schemes have been taken into account to computationally address the tunnel construction in soil with low and high hydraulic conductivities. In addition, different methods are employed to simulate the tail void grouting as a hydromechanical boundary condition and to study its effects on the model responses. Finally, the influences of infiltration of the fluidized particles of grouting suspension into the surrounding soil and its corresponding time–space hydraulic conductivity evolution on the displacements and lining forces are studied.     

Numerical and experimental studies of pressure-controlled cavity expansion in completely decomposed granite soils of Hong Kong

Compaction grouting is the injection of a viscous grout into a soil under high pressure, which then densifies the surrounding soil by reducing void space. Laboratory and field tests of compaction grouting have been carried out. In this paper, a numerical model is used to simulate the compaction grouting process with the primary purpose of investigating relationships among various control parameters, such as injection pressure, void ratio and excess pore water pressure at various radial distances from the injection point. The compaction process is treated as a cavity expansion process in the numerical simulation. The soil is modelled with an elasto-plastic Mohr–Coulomb model using the commercial finite element program ABAQUS. In addition to numerical simulations, pressure-controlled cavity expansion laboratory tests were carried out on completely decomposed granite (CDG) soil specimens. Data collected from laboratory tests are compared with the finite element simulation to validate the finite element analyses. Factors that control the compaction process, such as the coefficient of earth pressure (K), initial void ratio, number of loading cycles and effective confining pressure, are explored in the numerical simulations.