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。     

硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究

扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构穿越全断面硬塑性黏土地层,施工停机后多次出现地表塌陷事故。利用室内试验研究硬塑性黏土浸水条件下的崩解、软化特性,结合现场实测数据分析该工程地表塌陷的原因,进一步讨论此类破坏发生的过程,据此提出泥水盾构在全断面硬塑性黏土地层施工时地表塌陷的预防措施。研究表明:泥水盾构停机使开挖面硬塑性黏土在泥水浸润下发生崩解、软化,使开挖面上方形成局部孔洞;随着时间延长,局部孔洞逐渐向上发展直至地表,最终形成地面局部塌陷。泥水盾构在硬塑性黏土地层施工时,应当避免停机;当必须停机时,应尽量缩短停机时间,避开建筑地段,同时加强地面监测,必要时应在开挖面上方地层进行注浆加固,防止坍塌破坏。     

超大直径泥水盾构穿堤施工技术

盾构掘进施工过程中,由于开挖破坏了地层原始应力状态,地层产生应力增量,特别是剪应力增量,引起地层移动导致不同程度的地面沉降。超大直径泥水平衡盾构掘进施工参数控制不当极易造成地面沉降差异过大,影响地面建（构）筑物安全和使用。对南京纬三路过江通道N线大直径泥水平衡盾构穿堤掘进施工进行总结,为类似大直径泥水平衡盾构穿越地面建筑物施工提供借鉴。     

干湿循环下粉质黏土强度及变形特性试验研究

为了研究干湿循环作用下粉质黏土强度及变形特性的变化规律,以取自三峡库区某边坡的原状粉质黏土为研究对象,通过干湿循环和三轴剪切试验,对不同荷载条件下,经历不同干湿循环次数的粉质黏土的强度和变形进行了研究。结果表明:随着干湿循环次数的增加,强度峰值、有效黏聚力和割线模量都逐渐降低,且先快后慢;而有效内摩擦角保持稳定。干湿循环对原状粉质黏土强度和变形特性的劣化是因为裂隙的开展破坏了土体的结构。荷载约束了干湿循环时裂隙开展,从而抑制了干湿循环的劣化作用,荷载越大,抑制能力越强。最后,通过拟合试验数据,对干湿循环作用下的原状粉质黏土的摩尔-库仑强度准则表达式进行了修正。     

盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模拟

随着地表建、构筑物密度与日俱增,在地铁建造过程中对地表环境的保护是一个越来越不容忽视的难题。盾构法隧道施工技术成功地应用于地铁施工之后,如何合理预测和控制盾构施工对地表变形的影响就成为了一个新课题。在查阅大量文献的基础上,总结前人的计算方法,利用有限元方法对某盾构隧道工程进行了三维的变形模拟分析,与实测的数据比较计算结果较为满意。     

冻结粉质黏土三轴抗压强度和变形特性试验研究

通过对-6℃冻结粉质黏土在1～9 MPa的围压范围内进行一系列的三轴压缩试验,分析了冻土的变形和强度特性.结果表明：不同围压下,冻结粉质黏土的应力-应变曲线形态基本相似,而软化程度及初始阶段的硬化速率则有所不同.根据摩尔-库仑准则,得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律,同时基于包络线理论建立非线性强度准则,以描述冻结粉质黏土强度随围压先增大后减小的变化规律.     

小间距双线隧道土压平衡盾构掘进地表变形规律及控制研究

土压平衡盾构掘进过程中不可避免地会对隧道周边岩土体带来扰动,引起地表变形,影响周围构/建筑物的安全。本文以广州市轨道交通十八号线陇枕出入场线为例,分析该双线隧道在小间距（最小2.5 m）条件下,土压平衡盾构施工参数以及掘进引起的地表变形数据,研究盾构掘进过程中地表变形规律和变形控制措施。研究结果表明,小间距双线隧道土压平衡盾构掘进过程中：地表变形大致经历了5个发展阶段,主要有4种变形趋势;先掘隧道对后掘隧道地表变形的影响效应与先掘隧道本身的地表变形效应基本一致,显著影响区域位于两隧轴线之间;地表变形的影响因素包括盾构施工参数、掘进段工程地质条件、盾构停机等,采取优化注浆压力、注浆量、土舱压力、掘进速度等盾构施工参数、加固地层、减少盾构停机时间等措施可有效控制地表变形。该研究结果为广州市轨道交通十八号线以及类似小间距盾构掘进施工控制提供了一定的理论依据。     

挤压式盾构隧道施工引起的地表移动及变形

视挤压式盾构施工隧道引起的地表移动为一随机过程,应用随机介质理论对所引起的地表移动和变形进行了分析。工程实例分析表明,该分析方法效果良好。     

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。     

苏通大桥地基粉质黏土物性指标相关关系试验研究

通过大量的土工试验,对长江下游苏（州）-（南）通大桥工程区粉质黏土液性指数与天然含水率、天然孔隙比、天然密度、压缩模量、压缩系数、黏聚力的相关关系进行了研究,给出了它们之间的回归关系式,并与国内其他地区的情况进行了比较,发现液性指数与天然孔隙比、天然含水率、天然密度、压缩系数呈很好的线性相关关系,相关系数达0.92以上。（2）液性指数与压缩模量、黏聚力呈较好的指数相关关系,相关系数达0.87以上。根据国内其他地区的地层资料,得出了液性指数与其他物理力学参数的近似相关关系曲线。比较苏通大桥工程区与其他地区的粉质黏土液性指数及其他物理力学参数的相关关系式,显示它们之间有较好的相似性。结果表明,研究结果对类似场地粉质黏土具有重要的参考价值。     

软土盾构施工地表变形的小样本进化神经网络预测

上海地区软土具有高压缩性和易塑流等特性,在盾构机的挤压和不当施工扰动下将会引起较大的土层移动和地表隆陷。以盾构施工实测位移资料为学习样本,通过遗传算法搜索具有最优预测效果的神经网络结构及学习参数。利用获得的进化神经网络在小样本训练情况下建立模型,对下一步施工的地表变形进行合理的预测。对上海市某盾构隧道的施工地表变形预测表明该模型可获得较高预测精度。     

粉质黏土隧道超前支护作用效果研究

以哈尔滨地铁1号线三期为工程背景,采用现场试验与数值模拟相结合的手段,针对超前支护在粉质黏土隧道中的支护作用效果,分别对地表沉降、拱顶沉降、围岩压力、混凝土喷层应力、格栅钢架应力的变化特征和规律进行研究,结果表明,(1)浆液扩散范围过小且不均匀,当前注浆量对土体的改良作用较差,浆土体力学参数并未提高太多,其各项指标与普通土体无异;(2)粉质黏土地层对隧道开挖引起的变形具有一定的抵抗性,超前支护存在与否,变形都能在短时间内稳定;(3)围岩压力横向分布存在明显差异,格栅钢架应力随围岩压力同步激增,说明在粉质黏土隧道中超前支护不具有改善围岩压力不均匀分布、延缓围岩荷载释放的时空效应;(4)格栅钢架最大应力仅为其屈服强度30%左右,混凝土喷层最大应力仅为其轴心抗压设计强度的13.6%左右,强度储备足够保证隧道结构的安全;(5)塑性区范围约为1.5~3.0 m,小导管在径向上并未穿过塑性区,其支护作用实际上是对周围土体的挤密作用,增加其密实度,远远未达到调动围岩自身承载力的效果。     

面向地表沉降控制的地铁盾构参数研究

地表沉降是地铁盾构施工过程中最关心的工程问题之一,关乎近邻建筑物能否正常运营及盾构能否正常施工。故本文以地表沉降为关键目标进行地铁盾构参数研究。将影响地表沉降的盾构参数概括为开挖面支护压力比和等代层弹性模量。在此基础上,以长沙地铁1号线南门口—侯家塘区间为工程背景,采用FLAC3D软件对不同盾构参数下的施工过程进行数值模拟,分析了开挖面支护压力比及等代层弹性模量对地表沉降的影响,提出了研究区段的盾构参数建议值。研究同时得出了在建议盾构参数下,研究区段发生地表沉降的范围及地表沉降最大值。为长沙地铁后续建设及其他城市地铁建设盾构参数的选取提供理论依据和方法参考。     

初始含水率对冻结粉质黏土变形和强度的影响规律研究

冻土的变形和强度受温度、水分及压力的影响甚为显著。通过对-6 ℃的冻结粉质黏土在初始含水率为12.5%～20%范围内进行一系列的三轴试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。研究发现,当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化特征;随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压从线性缓慢增大逐渐过渡为抛物线形的分布。同时,根据包络线定理,建立非线性摩尔-库仑强度准则,用以描述初始含水率为12.5%、14%和16%的冻结粉质黏土强度随围压变化的非线性;当初始含水率为18%和20%时,其强度可用线性摩尔-库仑强度准则描述。     

岩溶地区盾构隧道施工地表沉降规律研究

隧道建设过程中,地下岩溶是诱发地面塌陷事故的主要原因之一。针对盾构隧道周围土层含有隐伏溶洞的情况,通过GTS/NX有限元数值分析软件,研究了相同断面面积下不同形状、不同位置、不同水平长度的岩溶对地表沉降的影响程度。研究结果表明：横向椭圆形溶洞是最不利的溶洞形状;水平位置中,溶洞位于隧道一侧特别是在隧道40°～50°方向上,地表沉降显著增大;竖向位置上存在一个\     

长春地区粉质黏土导热系数与其物性参数相关性研究

为研究导热系数与影响因素之间的相关关系,建立导热系数的推算公式,以长春地区粉质黏土为研究对象,对原状土样的导热系数与其物理参数之间的相关性进行回归分析。制作9个重塑土样,测其相关的参数值,以验证回归方程的适用性。结果表明,回归分析建立导热系数与2个物理参数之间的关系式不成立;考虑天然密度、含水率和孔隙度为自变量,其分别对应的相关性系数T检验显著值(Sig)都0. 05,复决定系数为0. 886,建立的回归方程成立,自变量能准确解释因变量的变化,且含水率与导热系数呈负相关,天然密度和孔隙度呈正相关。重塑土样相关参数代入回归方程得到的导热系数值与实验实测值之间相对误差低于4%,验证了该回归方程的普遍性和适用性。     

南京长江隧道大型泥水盾构施工风险分析及对策

结合南京长江隧道工程复杂的工程及水文地质条件,分析大型泥水盾构过江隧道在施工中存在的重大风险及其可能引起的严重后果。针对不同的风险,组织专家及技术骨干力量进行工程风险评估,梳理了大型泥水盾构过江隧道的风险工程,提出预防措施,并制定风险发生的应急对策,减少和预防重大安全质量事故发生。     

粉质黏土填料在K30试验加载进程中的变形时间效应状态分析

变形稳定标准和分级加载制度是影响K30试验效率和准确性的关键因素,与加载进程中填土的变形时间效应状态密切相关。开展了3组最优含水率下压实系数K分别为0.90、0.95和1.00填土模型的小型平板载荷试验,获得了不同荷载作用下填土变形时程曲线和弹塑性变形数据,讨论了在K30试验加载进程中填土变形状态的变化及其对加载稳定时间的影响。试验表明：良好压实的粉质黏土填料,在K30试验进程中的变形以弹性为主,处于缓慢收敛状态,随着加载级数增加,塑性变形比例逐渐增大,变形时间效应呈现出由微弱进入明显状态的演化趋势,变形1.25 mm对应于缓慢收敛中的微弱时间效应亚状态;“变形速率不超过0.01 mm/min”变形稳定标准分级加载时间随时间效应指数呈加速增长规律,能在保证试验精度的基础上提高试验效率;以最大荷载下填土变形时间效应不应超过显著状态、变形量不小于1.25 mm为约束条件,针对5级加载、0.04 MPa荷载增量的加载制度,可得K30试验的适宜范围为60～160 MPa/m。     

冻融粉质黏土的剪切波速与动态回弹模量及其转换关系

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数,受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变,亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象,开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验,获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关,二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降,随压实度的增加而有所提升;土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响,随围压增大而增大,随循环偏应力增大而减小,应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能;采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型,并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型;据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系,为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。     

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。