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。     

顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。     

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。     

盾构施工引起土体三维变形的计算方法研究

对随机介质理论中参数? 的取值进行研究,提出了适用于不同土层的参数计算公式;隧道周围土体移动采用更加符合实际的椭圆形非等量径向移动模式。在此基础上,对随机介质理论进行修正,提出了适用于地表及土体内部各点位移和变形的计算公式。结合工程实例,通过与实测值、施成华等方法及Loganathan等方法计算结果进行对比分析表明,方法计算得到的结果与实测数据较吻合。     

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。     

预应力混凝土管桩挤土效应引起土体位移分析

预应力管桩具有桩身质量易于保证和检查、现场施工方便、造价低等特点,在沿海软土地区得到广泛应用。预应力管桩属于挤土桩,沉桩产生挤土效应,如果处理措施不当,会引起周边的环境问题,影响成桩质量。本文通过分析某工程沉桩引起土体水平位移实测资料,得到沉桩过程中,土体水平位移随沉桩区域、深度及土性差别较大时的变化规律。研究群桩施工所引起的土体的位移,提出了采用叠加的方式来进行简化估算土体的水平位移和隆起位移,推导群桩施工时引起的土体位移的估算公式,并与工程实测进行了比较,可作工程参考。     

顶管施工引起的土体垂直变形计算方法研究

对前人工作进行总结,将3个已有的经验公式合并成一个通用经验公式,该公式可以计算由土体损失引起的土体中任一点沉降。假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解推导了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体垂直变形计算公式。结合土体损失引起的土体变形计算公式,得到顶管施工引起的总的土体垂直变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,正面附加推力引起开挖面前方地面隆起,后方地面沉降,以开挖面正上方为轴线呈反对称分布,在正常施工时产生的地面变形较小;掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的地面变形分布规律与正面附加推力相似,轴线分别位于掘进机中间部位和后续管道中间部位的正上方。     

双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究

基于双线水平平行盾构施工中土体损失引起的土体变形二维解析解,建立土体变形三维解析解。取不同的纵向位置作为变量,建立土体损失率沿纵向的变化方程;考虑先行隧道施工对后行隧道的影响,分别计算两条盾构隧道施工引起的土体变形,叠加得到双线平行盾构施工引起的土体总变形。其方法能够计算土体深层沉降和水平位移,较精确地反映土体三维变形。算例分析结果表明：预测值与实测值较为吻合;土体沉降随着离开挖面距离的增加而不断增大,最终在x = -40 m左右时趋于稳定;随着先行隧道与后行隧道开挖距离的接近,最大土体总沉降量逐渐增大;土体沉降会随着深度z的增大而略微增加,但沉降槽宽度将略微减小;随着两条隧道轴线水平距离L的增大,最大土体沉降逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型,不再符合正态分布规律。     

基坑开挖引起周围管线位移分析

为探讨深基坑开挖对周围管线位移的影响,明确管线位移轨迹模式,以南京江东软件城深基坑工程为背景,对管线位移实际监测数据进行分析。首先介绍该基坑工程的设计、施工和监测方案;在此基础上结合施工过程,分析周围4根管线竖向沉降和水平位移发展规律,并探讨二者之间的关系,揭示管线位移轨迹。由分析可知,竖向沉降先于水平位移发生,随基坑施工的开展,竖向和水平位移同步增大;在基坑第二道支撑施工后,竖向沉降出现平台,水平位移明显减小;地下室底板施工后,变形趋于稳定。距离基坑侧壁垂直距离较近的管线位移轨迹为三次多项式曲线,距离基坑侧壁较远的管线沿直线状向坑脚移动。     

考虑变形协调的土体剪切位移分布式测试研究

岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。     

河流冲积平原饱和砂土区地下管线渗漏诱发地面塌陷机制研究

河流冲积平原区是我国城市建设的主要区域,地层以松散冲洪积物为主,该地区地下管网破损带走松散地层极易形成隐蔽性很高的地下空洞,进而诱发地面塌陷,威胁人身财产和基础设施安全。以安庆市长风路地面塌陷为例,建立渗流、应力多场可控的等比实体模型箱,开展城市地面塌陷仿真实验,分析带水管线破损后地层中孔洞发育过程及孔洞周边各个方向应力变化特征,旨在揭示地面塌陷形成机制。结果表明：（1）安庆市长风路地面塌陷从孕育倒塌陷,经历了小孔、竖直孔洞、塌陷坑三种形态,可将地下异常孔洞当作前兆进行预警;（2）河流冲积平原区城市地面塌陷的孕灾环境是地层的高渗透性地层和地下水位,诱发因子是管道的破损,尤其是污水排水管道破损;（3）城市地面塌陷危害大小主要受控于管道及地下水位相对埋深,且可以根据地层性质可对塌陷坑的大小进行计算评估。该成果可为城市地面塌陷风险评价、防治区划等提供理论基础。     

浅层顶管施工引起的土体移动

顶管施工引起包括地面沉降和土的轴向移动在内的土的运动。 土的这些运动可能导致邻近构筑物和管线的损坏。 理论分析和现场实测都显示, 在类似于上海等地的软土地层中顶管施工, 顶管周围土的运动问题是三维的。 基于半解析数值方法的基本原理, 将轴向离散而在径向和环向选取位移函数, 构造了解析解函数。 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程, 从而建立了半解析单元法。 利用半解析单元法将顶管施工中三维土运动问题转化成一维数值计算 。 利用所建立的半解析单元法, 就软土地层中顶管工程实例计算了施工所引起的土体位移。 结果表明, 半解析元法用于计算顶管施工中顶管周围土的移动, 可以得到较为满意的结果。 由于计算所需要的单元数减少, 处理该问题所需要的时间也明显减少。 根据分析与计算结果还得到了一些有价值的结论。     

盾构隧道施工引起地表下土体变位的分析评估

目前对盾构隧道施工引起的地表下土体变位进行预测分析的研究还相对较少,尤其是缺乏简单实用的工程估算方法。在深埋隧道周围土体弹性位移计算方法及盾构间隙参数研究成果的基础上,通过相应的分析和假设提出了一种预测盾构隧道施工引起地表下土体水平变位的简便估算方法。另外,在已有研究成果基础上,提出了一种新的盾构隧道沉降槽的描述方法,并结合Mair等提出的计算公式对盾构隧道施工引起的地表下土体沉降变位进行预测。通过与有限元计算结果及一些典型盾构隧道监测数据的对比分析,证明提出的估算方法能够较好地预测实际工程中盾构隧道施工引起的地表下土体的变位情况。     

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。     

蒙特卡洛方法在地质雷达探测地下管道中的应用

地质雷达是一种探测金属和非金属管道的有效方法,传统方法是利用经验电磁波速度计算管道埋深,存在较大误差,且往往无法估算管径或算法繁琐。蒙特卡洛方法是一种随机模拟的地球物理反演手段,从雷达图像中读取一系列反射回波穿行时间和雷达相对于管顶的位置数据,给定合理的电磁波速度、管道埋深和管径3个参数的范围,可以有效地拟合得到速度、埋深和管径。该方法在南京地铁盾构某区段,用来拟合估算地下输油管、自来水管和污水管的埋深及管径,取得了与实际情况较为一致的结果,拟合的电磁波速度符合地下介质情况。     

Analytical model for the prediction of building deflections induced by ground movements

The objective of this study is to develop an analytical model that can predict the building‐relevant deflections induced by tunnelling or mining subsidence. The model takes into account soil–structure interactions due to differences in stiffness between the ground and the building. The ground is modelled by the Winkler model with an initial ground curvature equivalent to the free‐field ground movements. The building is modelled by a horizontal beam with uniform loading. The static and cinematic equilibrium of both the ground and the building are then calculated to assess the final building and ground shape, and the building deflection is derived. The resulting analytical model is used to investigate the influence of the ground and the building's mechanical properties, the building load and the initial value of the free‐field ground curvature (hogging or sagging). The model appears to be more comprehensive than those reported elsewhere that address the problem with numerical models. In particular, the analytical model makes it possible to distinguish two different final situations—with continuous or discontinuous contact between the ground and the building. The model is compared with numerical results and used to analyse a case study. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Centrifuge modelling of twin-tunnelling induced ground movements in loess strata

A great concern for the safety of large cross-section tunnels, which are being or to be built in the loess strata of China, is attracted. Generally, loess is a multi-phase porous medium and develops complex stress and strain variation while executing a tunnel project. Another problem is that the soil surrounding both tunnel arches is subjected to a complex loading due to the double excavation. To obtain an in-depth knowledge of the mechanism of tunnel deformation induced by the twin-tunnelling, we conducted comprehensive centrifuge tests, which can simulate and reproduce strictly the action process of twin-tunnelling. Through the model tests, the response of twin-tunnelling on loess stratum deformation was obtained. The investigations showed that with the increase of tunnel spacing, the stratum deformation distribution near the vault changes from a single-peak V shape to a double-peak W shape. Additionally, the height of the stratum pressure arch effect increases significantly. The settlement of the preceding tunnel is slightly larger than that of the latter tunnel, and the twin-tunnelling effect gradually decreases with the increase of tunnel spacing. Through comparative analysis of the different combinations of tunnel spacing and tunnel interval, the interaction between two tunnels with different spacing and interval during tunnelling was investigated, further optimizing the reasonable tunnel spacing and construction steps, as well as providing reference for tunnel route selection in the loess strata.     

金属矿山崩落采矿法引起的岩层移动规律分析

以典型陡倾结构面条件下的金属矿山--程潮铁矿西区为例,通过对矿区的地表变形监测资料及宏观破坏特征分析,认为矿区的岩层移动分为2个阶段,第1阶段为采空区顶板岩体破坏扩展至地表引起塌陷阶段;第2阶段为采空区周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段,并得出了倾倒滑移区的地表岩体变形规律：岩体主要发生水平移动,水平移动值大于沉降值;变形先以缓慢变形为主,然后进入一个快速变形阶段,存在明显的转折点;开采沉陷和地形引起的应力同向叠加作用,使得地表岩体沿下坡方向的变形值增大,特别是水平移动值。同时揭示了矿区岩层移动角的分布特征;南部岩层移动角大于北部,究其原因是北部受最为发育的NNW、NNE结构面影响,倾倒破坏较为严重。所得成果为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

湿度扩散诱发的隧洞时效变形数值模拟研究

环境湿度在水敏感岩体中的扩散对隧洞等地下空间的变形起到至关重要的作用,不仅改变岩体的应力状态,还在很大程度上造成岩体物理力学性能的弱化,增强了岩体的时效变形特性。通过在数值模型中引入湿度扩散计算,并建立湿度扩散与岩体力学响应之间相互关系的描述,使得数值模型能模拟水敏感岩体受湿度影响的时效变形特征。针对具有支护系统的隧洞岩体在湿度扩散过程中的变形和应力特性的数值模拟研究表明：开挖初期,只有围岩表面的湿度产生变化,湿度引起的隧洞变形量也较小,但其变形速率却较大。随着湿度的进一步扩散,隧洞的变形总量增加,但变形速率逐渐降低,并最终得以收敛;数值计算再现了锚杆系统中的应力演化过程,其中拉应力的逐渐增大限制了围岩的部分变形;湿度在围岩中的扩散造成较大范围内围岩的强度降低,承载能力减弱,隧洞周边逐渐产生破坏。破坏的产生不仅引起局部应力集中,促使裂纹的进一步扩展,还有助于水分在围岩中的扩散。因此,湿度扩散和破坏（损伤）是一个相互影响的过程,也即湿度-应力-损伤耦合作用     

考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法

顶管施工引起周围地层变形的计算预测是顶管施工中必须加以重视的问题。地层的沉降变形与顶管施工的几个环节有密切的联系,如：①顶管姿态与开挖面土压;②顶进与换管;③注浆过程等。理论分析应考虑这几个施工中的关键因素。针对上述施工影响因素,提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法。用Mindlin的位移解分析模拟开挖面土压、顶进与换管过程中的侧面摩擦力的变化引起的位移;以Sagaseta的土体损失引起的土体位移模式分析姿态控制、土体损失等引起的变形;将圆孔扩张的Verruijt解拓展到三维,用于计算注浆压力引起的位移与变形。结果表明,考虑注浆压力的变化,可以得到更为合理的预测结果。