隧道渗流侵蚀的颗粒流模拟

建造在砂土环境中的盾构隧道渗漏水会将砂土颗粒带入隧道内部,导致隧道周围砂土流失,引起隧道的不均匀变形与沉降。建立了隧道–土体离散元计算模型,模拟隧道不同部位发生局部渗流侵蚀时隧道中心位移、隧道表面土压力分布及地表沉降的变化。结果表明,隧道中心位移、地表沉降量均与颗粒流失比例呈线性增加关系;受颗粒流失及流失缝周围形成的颗粒力拱影响,隧道表面土压力重分布,会使流失缝宽度进一步扩大而加剧渗流侵蚀进程,且渗流侵蚀发生于隧道底部产生的影响大于渗流侵蚀发生于隧道腰部与顶部。     

盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析

HTSS以大连地铁2号线香沙区间盾构隧道下穿铁路桥特殊地段为依托,通过三维有限元程序仿真模拟以及工程现场动态监测,研究盾构施工法对周围地层变形的影响和盾构下穿铁路桥造成的沉降特征。结果表明:盾构开挖引起的地表沉降经历了5个阶段,即初期扰动沉降、开挖面前部沉降、盾构机正上方沉降、盾构通过沉降、后期固结沉降;地表沉降整体为一个凹槽形,即隧道中心线地表沉降大,隧道两边沉降较小,按隧道横截面轴线左右对称,符合地表沉降机理,并与现场监测数据一致;距离开挖隧道越近,总体沉降位移越大,盾构开挖小于20 m时,其沉降位移沿着横向与纵向都有扩展,隧道开挖至40 m时,沉降位移主要沿着纵向扩展,横向扩展不明显;不同深度的上部土体沉降呈漏斗形,即隧道正上方沉降最大,两边沉降递减,沉降曲线基本对称,地表右侧受右线隧道开挖影响,沉降量略大于左侧;桥桩底端处于隧道拱顶上,且整个桩身处于破裂面之上,属于短桩范畴,桥桩变形主要以受土体作用而产生的竖向沉降变形为主。     

多线叠交盾构隧道近距离穿越施工扰动机制研究

多线叠交盾构隧道在地下空间内布置形式繁多,土体-隧道间相互作用机制复杂。针对多线叠交盾构垂直上穿、垂直下穿和上、下夹穿3种典型穿越施工形式,根据盾构隧道近距离施工的技术特点和控制要求,采用排液法重点分析了施工中因地层损失和开挖卸荷引起的地表沉降以及既有隧道纵向变形规律,并通过构建三维弹塑性有限元动态模型,与部分试验结果进行了对比验证。研究结果表明:上穿施工中,地表沉降较大,既有隧道均呈现上浮趋势;下穿施工时,地表沉降较小,既有隧道均呈现下沉趋势;先下后上穿越施工在各阶段引起的地表沉降变化均匀,最终地表沉降量相对较小;先上后下穿越施工时既有隧道变形曲线曲率大,既有隧道变形呈现反复震荡变化。成果可为类似多线叠交隧道工程的施工提供理论指导。     

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显...     

盾构隧道施工对临近桥桩影响数值及现场监测研究

随着城市内地铁盾构区间隧道临近城市道路桥桩工程的增多,急需研究盾构隧道临近桥桩施工对桥桩的变形影响问题。采用有限元数值计算方法,结合盾构隧道穿越桥桩实际工程,建立了盾构隧道施工对临近桥桩影响的数值分析模型,模拟盾构隧道施工,对盾构隧道穿越临近桥桩的桩体沉降、桩体侧移、地表沉降进行了数值分析研究,盾构隧道穿越时及穿越后桩体沉降、桩体侧移、地表沉降控制结果较为理想,桩体处于稳定状态。结合现场监测成果,对数值计算结果和监测结果进行对比分析,表明采用的数值分析计算模型、参数取值对盾构隧道施工对临近桥桩影响的模拟是可靠的,可以运用文中的数值计算方法预测后续盾构隧道施工引起临近桥桩沉降、桩体侧移和地表沉降结果。     

超大直径土压平衡盾构施工对环境影响的现场监测研究

软土地层中盾构法隧道施工对周围环境影响的控制是施工中最为关心问题。依托上海迎宾三路?14.27 m土压平衡盾构隧道工程,通过在试验段布设监测断面、调整施工参数,研究超大直径土压平衡盾构施工诱发的地表沉降分布和发展规律。通过分析发现,超大直径土压平衡盾构施工中土舱压力和同步注浆参数的设定决定了地表沉降的发展规律,其中同步注浆的参数设定对于控制地表沉降起关键作用。同步注浆填充效果不佳会导致盾尾上方较大范围内地表沉降发展明显,距离盾尾越近,沉降速率越大,而填充效果较好时,地表沉降可以得到有效控制,Peck公式比较适于盾尾间隙填充效果不佳的情况。另外,监测数据揭示,盾构停推过程中超孔隙水压力逐渐消散,地表沉降持续发展,距离盾尾越近的位置地表沉降发展速率越大。     

软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响

研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。     

浅埋含空洞地层圆形隧道开挖引起的位移复变函数弹性解

针对浅埋隧道临近地层空洞施工问题,建立了解析模型。该模型中隧道满足变形边界条件,空洞满足0面力边界条件,采用Schwarz交替法原理和复变函数法对模型进行了理论求解,并通过编程实现了迭代计算,结合数值计算特点对求解精度进行了讨论。通过算例分析了在不同隧道变形边界条件下空洞位置、大小及净距对地表沉降的影响。结果表明,与无空洞工况相比,空洞对地表沉降产生较明显影响,空洞较大或净距较小时影响尤为显著,隧道变形边界不同或空洞位置不同时地表沉降变化规律的差异性较大,当空洞位于隧道两侧位置时均匀收缩和椭圆化变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈对称分布,隧道和空洞正上方地表沉降均增大;竖向位移变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈反对称分布,隧道一侧地表沉降增大,另一侧地表沉降减小。当空洞位于隧道斜上方位置时均匀收缩变形边界下差异沉降关于空洞轴线呈反对称分布,空洞轴线处地表沉降曲线斜率明显增大。当空洞位于隧道正上方位置时3种基本变形边界下隧道正上方地表沉降均减小。     

紧邻多孔交叠盾构隧道施工影响分析

紧邻多孔交叠隧道是随着地铁建设的不断深入发展而出现的一种复杂的隧道空间分布形式。依托武汉地铁2号线和4号线工程,针对4孔紧邻交叠隧道,采用三维有限元方法分析了隧道动态施工过程引起的地表变形规律以及后建隧道对已建隧道受力与变形的影响。计算结果表明：隧道埋深对地表变形影响显著;紧邻4孔交叠隧道施工引起的地表最终变形达到了32 mm,超出了规范的限值;隧道埋深越大,引起的地表变形越小,但影响的范围越大;紧邻4孔交叠隧道施工时的影响范围为：前方约为30 m、后方约25 m、单侧约30 m;隧道的变形主要表现为上下压扁,两拱腰外扩,变成倒鸭蛋形;隧道的变形主要发生在盾构机刀盘通过前后约1D的范围内,随后很快趋于稳定;隧道结构的沉降主要取决于隧道自身以及其上部的垂直隧道的施工,邻近隧道的施工主要影响已建隧道的侧向变形;后建隧道将少量增加已建隧道管片内的内力。研究成果可为武汉地铁建设以及国内今后类似工程的设计与施工提供参考和指导     

隧道盾构施工引起邻近建筑物及其桩基变形的数值分析

以天津地铁2号线隧道盾构施工为背景,取沿盾构轴线右侧一6层框架居民楼为研究对象,基于ABAQUS软件,建立了隧道和邻近建筑物及其桩基的计算模型,分析盾构施工对邻近建筑物及其桩基础变形的影响。结果表明,隧道盾构施工导致地表沉降,引起框架结构及其桩基变形,框架整体向隧道盾构一侧倾斜。其中框架梁靠近中柱一端沉降较大,而框架中柱及其桩基也较两侧边柱及其桩基的沉降大。同时表明,盾构施工对邻近建筑物及地下桩基变形产生的影响是整体相关的,在隧道盾构施工时应引起相关设计与施工部门的注意。      

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析

地铁行车荷载经轨道-道床-隧道结构传至地基,在土体内部产生循环动应力以及超孔隙水压力是引起盾构隧道沉降的重要原因。通过车-轨-隧道-地基竖向耦合动力模型分析隧道差异沉降对列车运行荷载的影响,以上海地铁一号线体育馆站附近区间隧道为工程背景建立三维数值模型,结合塑性累积应变及累积孔压经验公式进行计算,对比分析软土盾构隧道下卧土层有、无纵向差异沉降两种情况下,地铁行车速度对隧道运营沉降的影响。结果表明：列车运行速度越快,下卧土体波动越大,但衰减越快。地基差异沉降对其长期运营存在明显不利影响,随着列车速度增大,这种影响也愈加明显。当地基差异沉降小,轨道平顺条件好时,隧道长期沉降随地铁行车速度的增大而减小;当地基差异沉降突出,轨道存在明显不平顺时,隧道运营沉降随行车速度增大而显著增加。     

双圆盾构穿越下立交结构的流-固耦合数值模拟

依托上海轨道交通M10线双圆盾构区间隧道工程,对自由场下双圆盾构隧道施工力学行为进行三维有限差分数值模拟,分析了盾构施工地表沉降及超孔隙水压力的特征、量值与范围,并与监测结果进行对比,以得到能够反映施工技术水平的模拟施工参数。将该模拟施工参数应用于下立交下双圆盾构的推进,用以预测盾构掘进对下立交底板的影响。研究结果表明,在三面封闭的条件下,盾构施工引起的正超孔压很难向外界消散、负超孔压也很难得到外界水位的补给;在开挖面前方,底板受到挤压力,且挤压力主要由超孔隙水压力组成;沿横向方向,作用在下立交底板下的超孔隙水压力分布较均匀,而土体颗粒的挤压力则主要分布在其中线附近;下立交结构的刚性位移是引起底板沉降的主要原因,底板变形引起的沉降较小,变形最大值在盾尾脱离时取得。     

盾构法隧道施工工后横向地表总沉降研究

盾构法隧道施工引起的土体超孔隙水压力消散,会导致工后地表继续沉降。在前人研究基础上,提出了隧道周围土体的初始超孔隙水压力计算方法。采用分层总和法,计算由于扰动区内土体超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降量,结合施工阶段地表沉降量,叠加得到总的工后横向地表沉降。提出了固结开始t时刻的地表总沉降量计算方法,研究了地表沉降速率随时间的变化。算例分析结果表明：本文方法计算得到的横向地表沉降曲线符合正态分布规律,与实测值吻合;地表总沉降速率的发展也与实测沉降速率曲线相符。     

地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析

违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应和隧道埋深的地表堆载下既有盾构隧道变形和受力的简化解析解。将既有盾构隧道简化为搁置于Winkler地基的Timoshenko梁,地基反力系数考虑隧道埋深的影响。通过三维有限元模型和已发表工程案例的实测数据,验证所提方法的正确性及适用性。通过参数分析发现,在荷载中心与隧道中心距离较近情况下,浅埋盾构隧道将发生较大的沉降变形;提高等效抗弯刚度和基床反力系数可以减少隧道沉降变形。而增大等效剪切刚度对隧道的沉降变形贡献较小,但是可以明显减小管片之间的错台变形。该研究成果可为合理预测地表堆载对既有盾构隧道的影响提供一定的理论支持。     

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。     

近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究

对上海复兴东路越江公路隧道--近间距双线盾构隧道同向施工时相互影响的现场监测进行了研究。首先简要介绍了工程背景及其概况,然后介绍了为研究近间距盾构隧道相互影响而布设的监测项目,包括深层土体水平位移、地表沉降以及深层土体沉降、北线隧道三维位移、圆周变形、接缝宽度、北线隧道所受水土压力、北线隧道衬砌内力和土体中的超孔隙水压力。对监测数据进行了详细研究,得到了后建隧道推进时对地面沉降、深层土体位移变化、超孔隙水压力产生和消散、先建隧道衬砌位移、变形、内力的影响规律。从现场监测的分析结果来看,后进隧道对周围土体和先建隧道的影响是十分明显的。研究结果可以为大直径近间距双线推进的越江盾构隧道的设计和施工提供更加科学的指导。     

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。     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

Analytical solutions for nonlinear consolidation of soft soil around a shield tunnel with idealized sealing linings

This paper presents the analytical solutions for nonlinear consolidation of soft soil around a shield tunnel with idealized sealing linings. By introducing the empirical relation between permeability and compressibility, along with the conformal transformation, the governing equations of nonlinear consolidation are established, and the corresponding analytical solutions are derived. Then, the Terzaghi consolidation solutions are derived from the degenerate governing equation of nonlinear consolidation. Through the predictions of different consolidation theories in both completely permeable and impermeable lining conditions, the influences of a tunnel acting as a drain and impacting the dissipation of pore pressure, degree of consolidation, long-term ground settlements and ground settlement rates are investigated. During the early stages of consolidation, the case studies reveal that the predictions made by this study strongly agree with the field data when a completely permeable lining is applied. This study confirms that a tunnel acting as a drain can accelerate the consolidation of soil and enlarge soil deformation due to consolidation. During long term consolidation, a notable nonlinearity of the soil consolidation is exhibited by a small and gradually decreasing settlement rate, showing agreement with the tendency of field data from the impermeable conditions.