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。     

运营期水下盾构隧道管片接缝张开度变化规律

水下盾构隧道管片间接缝张开度对隧道防水及运营期结构安全有重要影响。以南京扬子江隧道结构健康监测系统中两个典型监测断面的接缝监测数据为基础,通过多元线性回归分析方法分析在两种不同地层组合下接缝张开度随水位、温度变化的规律;并对接缝张开度随水位变化的规律进行了有限元数值模拟,数值模拟结果与回归分析结果吻合较好。上述分析结果表明,纵缝张开度和横缝张开度随水位、温度的变化均呈现较好的线性关系,具体变化趋势如下：当盾构隧道穿越上砂下岩的上透下不透地层时,环内上半部分管片纵缝张开度随水位的增大而增大,受温度影响则相对较小;当盾构隧道穿越砂性全透水地层时,环内管片纵缝张开度随水位的增大而减小,受温度影响也相对较小;环间横缝张开度在上述两种地层下随水位、温度的变化趋势相同,均随水位增大而增大,随温度的升高而减小。     

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。     

上海软土盾构法隧道管片厚度的优化

讲座了盾构法隧道管片厚度大小对其本身内力变形以及接头转角等受力性能的影响;针对上海地铁某区间隧道所取用的管片厚度,从强度、抗裂、防水、耐久性等几个方面探讨了减薄现有管片厚度的可能性。     

有控放气措施下含浅层气地层的一维变形分析

人为控制性放气是杭州地铁工程施工前防治浅层气地质灾害的必要措施。通过对浅层气藏形成中的水气运移过程分析可知,气藏原始包气带内的水压力和吸力沿厚度呈线性分布,孔隙水压力的大小与其相同位置处的静水压力相当;借助储层土体的室内土-水特征曲线并结合现场勘探资料,能够获得气藏初始饱和度分布。在分析有控放气措施下气藏内部水气运移基础上,利用GDS非饱和应力路径三轴系统地研究了气体释放过程中储气砂土的湿化变形,并给出了气体释放引起的含气地层沉降变形的预测方法。结果表明,在经历了形成过程中的自然脱湿后,储集层砂土被进一步压密,而工程放气措施引起的水浸或再吸湿过程中,单由饱和度或吸力减小所引起的砂土湿化变形量很小,可忽略其工程影响;有控放气措施下,由气体释放引起的浅层含气地层沉降沿气藏厚度自上而下依次递减,总沉降量约为气藏总厚度的1‰～5‰。     

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...     

盾构隧道纵向等效弯曲刚度的简化计算模型及影响因素分析

盾构法隧道在国内的应用越来越广泛,早期建造的盾构隧道在工后沉降较大时出现较大的纵向变形问题,考虑隧道结构特征的设计模型及其刚度计算逐渐得到重视。在考虑管片螺栓等结构特征基础上,建立可考虑环缝张开的三维纵向结构计算模型。研究结果表明,与管片环接缝相关的影响因素,如螺栓的数量、螺栓的预紧力以及管片环宽度对纵向弯曲刚度有效率影响较大,随着纵向螺栓数量和管片环宽度的增加而线性增加,随着螺栓预紧力的增加而非线性快速增加,而管片环的横向弯曲刚度有效率影响较小。研究成果为盾构隧道纵向设计提供了关键参数。     

高水压大断面盾构隧道管片衬砌结构静力学行为模型试验研究

以武汉长江隧道工程为背景,采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,最后对盾构隧道管片衬砌结构的静力学行为特征的试验结果进行了重点分析。分析表明,9等分块力学性能优于9+1分块;宜将错缝180°的错缝拼装方式作为武汉工程首选拼装方案;对于大幅宽管片,幅宽中央受环间螺栓剪力影响较小,而幅宽边缘则较大。     

深埋小净距多线平行盾构掘进相互作用分析

浅覆软弱地层中小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道安全,但深埋情况下,由于地下岩土层的复杂性和不确定性,使得多线隧道施工时先行隧道的变形变得复杂。以上海硬X射线土建部分盾构隧道为背景,结合有限元数值模拟,分析了深埋小净距盾构隧道施工时的相互影响,并对不同的盾构参数进行了敏感性分析。研究表明:随着后行隧道的开挖,先行隧道管片的变形增量变化基本呈双峰特征。当采用左-右-中方式开挖时,管片变形增量呈一大一小双峰分布;而采用中-右-左方式时,管片竖向变形增量峰值的大小和方向相同,而水平变形增量的峰值相同,方向不同;随着浆液弹性模量的增加,管片竖向变形增量变化较大,水平变形增量基本不变;随着顶推力的增大,管片的变形也在相应地增大,并在支护应力比为0.6～0.7之间时达到稳定;地下水的存在对管片竖向变形有着一定的影响;通过对比2种开挖方式管片的变形收敛情况,选择左-右-中次序开挖比较安全。     

穿越不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道地震响应三维数值分析

地震液化对隧道结构有重大威胁,且位于不同抗液化能力地层交界处的盾构隧道段更易发生严重的地震破坏。采用三维数值方法研究穿越不同密实度状态饱和砂土地层的盾构隧道的地震响应规律。饱和砂土用一种描述不同密实度砂土液化行为的边界面模型进行模拟,首先通过隧道液化上浮的振动台试验结果验证该本构模型的合理性。其次,应用多自由度连接弹簧表征管片环间相互作用,采用文献中的拼装管片的逐级加载试验结果验证该方法的可行性。最后,建立穿越两种不同密实度饱和砂土地层的盾构隧道三维数值模型,研究相对密实度、输入加速度峰值和交界面倾角对砂土地层-盾构隧道系统动力响应的影响。结果表明,可液化地层中隧道结构位移模式是水平地震激励下产生的水平位移与由于液化上浮效应产生的竖向位移的耦合作用,加之隧道在不同土层中变形存在差异,从而导致隧道呈现扭转的变形形态。在靠近交界面处,隧道整体上浮量急剧变化且该处结构上浮量随着交界面倾角增大而增大,同时管片结构弯矩出现突变,接头螺栓的环间剪切和拉伸位移也显著增加。分析结果进一步印证地震作用下盾构隧道在不同性质饱和砂土地层交界面处更易破坏,在设计阶段应予以重点关注。     

盾构法施工隧道地层变形时空统一预测方法研究

从经典的Mindlin弹性理论公式出发,基于盾构施工工作面推力为圆形均布荷载、盾构外壁与土层的摩擦力均匀分布等假定的基础上,考虑盾构施工推进过程中盾构机位置不断变化的实际情况,建立了盾构施工推进过程的力学计算模型,由此推导了盾构推进工作面附加压力以及盾构机外壁与土层摩擦力作用下隧道周边任意位置地层变形的计算公式。基于随机介质理论,充分考虑隧道开挖施工引起的地层变形的时间和空间发展过程,推导了盾构推进地层损失引起的地层变形计算公式。通过工程实例计算,对盾构隧道施工地层变形的时空变化过程进行了研究,计算结果同实测结果具有良好的一致性。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

盾构隧道抬升作用下极限上覆土压力计算方法

注浆抬升技术是盾构隧道不均匀沉降治理的有效措施之一,但目前尚存在隧道抬升过程上覆土压力计算困难而无法估算抬升引起的隧道受力变形的问题。利用透明土结合PIV观测技术设计研发了模拟盾构隧道抬升的小比尺室内模型试验系统,通过试验获得了隧道抬升过程极限上覆土压力及上覆土速度场,根据上覆土的剪切滑移特征将上覆土分成了4个不同的运动区域,进而结合相关联流动法则,提出了隧道抬升作用下极限上覆土压力计算模型,并基于虚功平衡方程,推导了极限上覆土压力计算表达式。将计算所得的极限上覆土压力值与试验结果进行对比,两者有较好的吻合度,计算误差在4%～15%之间。     

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。     

地震荷载作用下大坂盾构隧道管片配筋校核

将盾构隧道管片视为分段曲梁、管片之间为铰接关系、管片与地层之间为非线性接触关系,边界采用无限元吸收地震波的反向与折射,地层服从Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,地震波采用EI-Centro波,采用地层-结构法,应用隐式动力有限元分析地震荷载作用下管片轴力与弯矩分布情况。根据有限元计算结果,结合结构力学方法,校核管片配筋是否合理。与荷载结构法相比,其方法可模拟围岩与管片、管片与管片之间的相互关系,并可考虑锚杆等支护结构对管片受力的影响,因而,计算结果更为精确。研究为盾构隧道管片配筋优化设计,降低隧道支护成本,提供了一种管片配筋校核计算方法与设计依据。