Timoshenko beam solution for the response of existing tunnels because of tunneling underneath

An analytical solution for the deflection and internal forces of an existing tunnel because of tunneling underneath is presented. The existing tunnel is modeled as a Timoshenko beam resting on a Winkler foundation, which takes into account the contribution of shear deformation to the total deflection of the existing tunnel. The validity of the analytical solution is verified by a centrifuge test, and the merit of this analytical method is confirmed by comparison with the conventional Euler–Bernoulli beam model. Influential factors on the behavior of the existing tunnel are investigated by consideration of the variations of subgrade modulus, ground loss induced by the new tunnel construction, vertical clearance between the new tunnel and the existing tunnel, and relative existing tunnel–soil stiffness. Results show that the proposed analytical method is a valid and effective method to evaluate shearing‐induced deformation in existing tunnels with large diameters. Results also show that the pattern and the amplitude of the response of the existing tunnel are affected largely by ground loss induced by the new tunnel construction, vertical clearance between the new tunnel and the existing tunnel, and relative existing tunnel–soil stiffness. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effects of tunnelling on existing support systems of perpendicularly crossing tunnels

The interactions between perpendicularly crossing tunnels in the Sydney region are investigated using a full three-dimensional (3D) finite element analysis coupled with elasto-plastic material models. Special attention is paid to the effect of subsequent tunnelling on the support system, i.e. the shotcrete lining and rock bolts, of the existing tunnel. The results of the analysis show that in a region such as Sydney, with relatively high horizontal stresses, installation of the new tunnel causes the shotcrete lining of the existing tunnel to be in tension in the side facing towards the tunnel opening and in compression at the crown and invert. The pre-stressed rock bolts are usually tensioned more in the sections closest to the tunnel opening. For this particular study, if a new tunnel is driven perpendicularly beneath an existing tunnel, significant increases are induced in the bending moments in the shotcrete lining at the lateral sides of the existing tunnel and in the axial forces at its crown and invert. The increase in side bending moments causes further tensile cracking but the crown and invert stresses remain within the thresholds for both compressive failure and tensile cracking for shotcrete lining of typical concrete quality. Moreover, the driving of the new tunnel causes the tensile forces in the existing side rock bolts to increase and those in the existing crown rock bolts to decrease. In contrast, if the new tunnel is driven perpendicularly above the existing tunnel, compressive failure of the existing shotcrete lining is induced at the crown of the deeper tunnel for concrete of typical capacity and a significant tensile force increase of the existing rock bolts around the crown. It is concluded that in order to ensure the stability of the existing tunnel, local thickening is needed at the sides of the existing shotcrete lining if the shallow tunnel is installed first and local thickening is needed at the crown if the deep tunnel is installed first.     

盾构近距离下穿对已建地铁隧道的位移影响及施工控制

通过对盾构近距离下穿杭州地铁1号线已建隧道施工过程进行监测,针对盾构近距离、小角度下穿对已建隧道位移的影响过程和特点,研究了盾构机与已建地铁隧道相对位置关系不同时,已建隧道的隆沉、水平位移及收敛位移变化规律。对盾构参数进行实时记录,通过反馈的已建隧道位移监测进一步优化盾构施工参数,合理盾构参数的设置可以有效控制既有隧道变形在允许范围内。已建隧道变形规律显示,盾构隧道在距离已建隧道20 m以外工况下,对上部已建隧道影响很小;盾构整个过程中已建隧道穿越交叉点竖向和水平位移变化过程大致经历5个阶段。     

南京地铁区间盾构隧道"下穿"玄武湖公路隧道施工的关键技术研究

针对南京地铁区间盾构隧道“下穿”玄武湖公路隧道的超近接施工力学行为,进行了三维有限元数值模拟研究。研究结果表明,对于玄武湖隧道这种“卸荷”型地下建筑物,在其下方修筑盾构隧道时不宜采用“加大推进力-快速通过”盾构施工模式。相反地,在距玄武湖隧道不低于6m处,为盾构机推进力量值切换点,应降低推进力-放慢掘进速度,并对玄武湖隧道底板进行监测,以保证超近接结构物的安全。     

盾构隧道掘进引起上方已建隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道施工中经常遇到新建隧道下穿上方已建隧道的例子,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将新建隧道对已建隧道的作用简化为高斯分布荷载,建立了新建隧道施工对上方已建隧道影响的解析分析方法;并利用离心机试验结果进行了验证。分析了地层损失率、荷载形状参数和隧道与土体相对抗弯刚度对已建隧道纵向变形的影响。探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁;对于抗弯刚度较大的隧道（如抗弯刚度大于7.54×106 kN?m2）,Kerr地基梁具有较好的适用性;已建隧道的剪切刚度对其纵向变形何纵向曲率产生显著影响;当隧道等效剪切刚度有效系数≤1/4时,必须考虑隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。将所提分析方法应用于上海盾构隧道穿越工程中,并与现场实测结果进行对比,验证了方法的合理性。     

岩石隧道近接施工效应及方案研究

温福铁路琯头岭隧道下穿既有同三高速公路琯头岭隧道,两隧道平面交角约36°,新建铁路隧道顶板距既有高速公路隧道底板仅2.91 m。根据新建铁路隧道近接既有高速公路隧道施工的实际情况,对岩石隧道近接施工效应进行了模拟分析,分析结果认为,新建隧道施工对既有隧道结构的应力分布和变形均产生一定影响,施工中应采取必要的超前支护和地层加固措施,以满足既有隧道运营安全的需要;在数值模拟分析的基础上,对隧道施工过程中开挖方法、预支护形式以及减振、隔振等技术措施进行了分析探讨。     

基坑开挖对下卧运营地铁既有箱体影响的实测及分析

天津西站交通枢纽西青道下沉隧道工程上跨于已运营天津地铁1号线区间既有箱体,其上跨段隧道底板距既有箱体顶板仅0.3 m,需对其可能引起的既有隧道变形进行严格控制。设计中对运营线路有针对性地提出地基加固、分段开挖、及时堆载回压等施工方案及措施。通过对西青道下沉隧道下邻近既有地铁隧道的抗浮桩、三轴水泥搅拌桩施工和基坑开挖阶段的监测数据进行分析,研究了不同施工阶段的地铁箱体及轨道变形规律及特点。实测结果表明,在邻近既有地铁隧道处施工钻孔灌注桩可引起既有隧道下沉,基坑开挖可引起既有隧道上浮。分块开挖、分段压载并结合信息化施工可有效控制因开挖卸荷引起的既有隧道竖向位移及隧道箱体之间的差异变形。     

盾构近距离下穿引起已建地铁隧道纵向变形理论研究

盾构下穿会引起邻近已建隧道附加应力的变化,使已建隧道产生变形,对已建隧道的结构和运营安全造成一定的影响。基于明德林（Mindlin）解,经数值积分可以计算出盾构产生的刀盘附加推力q、盾壳摩擦力f及同步注浆附加压力p作用下所引起的已建隧道轴线处的附加应力。同时,利用镜像法算出在土体损失作用下已建隧道轴线处的附加应力,再将已建隧道视为温克勒（Winkler）地基梁,应用Winkler地基梁理论即可算出上述4个参数作用下已建隧道的变形,根据盾构穿越的不同工况,将上述参数作用下的变形进行叠加得到已建隧道总变形。通过杭州4号线盾构隧道下穿1号线隧道的工程实例将理论计算结果与实测结果对比分析,证明了该方法的有效性。     

新建隧道近距离上穿对既有地铁隧道纵向变形影响分析

新建隧道近距离上穿施工会改变地层既有平衡应力场,引起地层应力释放,导致既有下卧隧道产生纵向隆起变形。提出了在新建隧道卸荷作用下估算既有隧道纵向变形的解析解答,既有隧道简化为搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli 梁,采用两阶段分析法分析求解。首先,通过Mindlin弹性力学经典解估算新建隧道开挖卸荷引起在既有隧道位置处的竖向附加分布荷载;其次,建立在竖向附加荷载作用下的隧道纵向变形平衡微分方程,并基于有限差分原理,获得隧道变形数值解答。经与已报道的两个工程实测结果对比发现,理论计算结果与实测数据较为吻合,基本可以反映在新建隧道近距离上穿施工过程中既有隧道的纵向变形规律,从而验证其解析解答正确性。     

Simplified method for evaluating the response of existing tunnel induced by adjacent excavation

Adjacent excavation may have a negative influence on the existing tunnel underneath. Thus, it is important to evaluate the response of the tunnel due to adjacent excavation. However, there is little report about using the Kerr foundation model to simulate the tunnel-soil interaction. Meanwhile, the Timoshenko beam, which can take the tunnel shearing effect into consideration, is more suitable to estimate the behavior of the tunnel. To simulate the interaction between soil and tunnel, the existing tunnel is simplified as a Timoshenko beam lying on the Kerr foundation model, and a simplified theoretical method is proposed to calculate the response of the existing tunnel induced by adjacent excavation. The proposed method is validated by two field case studies. Results indicate that the predictions given by the proposed method show great agreement with field measurements and it is more accurate to evaluate the tunnel-soil interaction compared with the previous method. The further parametric study shows that the relative position between excavation and tunnel, the ground Young's modulus, the depth of existing tunnel centerline, and length and width of excavation are both significant factors governing the tunnel response induced by adjacent excavation, while the influence of tunnel shear stiffness and skew between tunnel and excavation are slight. The proposed method can be applied to predict the potential risk of existing tunnels induced by adjacent excavation in relevant engineering projects.     

基坑开挖卸载引起下卧已建隧道的纵向变形研究

城市地下空间开发中经常遇到已建隧道上方进行基坑开挖的情况,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将Mindlin基本解积分得到已建隧道纵向上的附加荷载,建立了基坑开挖卸载对下卧已建隧道影响的解析分析方法,探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁,当隧道等效剪切刚度有效系数 时,已建隧道的剪切刚度对其纵向变形和纵向曲率产生显著影响,必须予以考虑。将文中的分析方法应用于郑州市某基坑工程,通过实测数据反分析得知水泥土有效卸荷系数为0.22,对快速开挖、快速等量加载的抽条开挖方式用各条基坑独立开挖,计算结果叠加的方法进行预测,将预测的结果与地铁最终上隆量进行对比,较为吻合。     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小;同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大;随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究

以紧邻已运营天津地铁1号线既有隧道箱体上方的西青道下沉隧道基坑工程为背景,结合现场实测数据,采用ABAQUS软件对基坑的实际施工过程进行动态模拟。在此基础上分析既有隧道箱体两侧的土体加固、浇筑底板与抗浮桩形成“保护箍”以及堆载回压等措施对既有箱体轨道的影响及其有效性,指出有针对性地综合采用上述保护措施,能够及时有效地控制既有箱体轨道上抬,保证地铁的安全运营,并进一步研究了不同加固参数对既有箱体轨道变形的影响规律,结果表明：提高各加固参数能减小箱体轨道上抬及变形缝处的箱体间差异变形,但其加固效果却随着参数的增加而减弱,存在着一个合理的参数范围,为施工设计的优化提供依据。     

邻近隧道爆破振动响应研究

由于新建隧道与既有隧道之间距离较近,开挖爆破产生的地震波会危及既有隧道衬砌结构的安全和稳定,笔者应用现场监测和数值分析两种手段对此进行了分析研究,得出了一些有意义的结论。     

隧道下穿码头群桩基础的离心模型试验研究

在地下隧道施工中遇到既有桩的情况并不少见,尽管近年来隧道-土-桩相互作用引起了广泛关注,但以往的研究主要集中在小规模隧道开挖引起的桩的反应上.通过三维离心模型试验,研究了双管大型隧道开挖引起的群桩变形机理.由于隧道开挖引起的应力释放,群桩的实测沉降随隧道的推进几乎呈线性增加.监测点距新建隧道较短,导致群桩沉降较大.单隧...     

城市隧道近接施工对既有公路的营运影响研究

针对城市新建地下通道下穿既有公路的工程情况,采用三维数值模拟手段对既有公路路面纵横向影响范围和应力分布特征及洞周的位移、应力随隧道开挖的动态变化规律进行了研究,得到了既有公路在隧道下穿过程中的最危险区域,路面底部很有可能会产生受拉破坏,同时隧道内侧拱顶将产生沉降,拱底将产生隆起等结论性成果,进而提出了保证既有公路正常运营和新建隧道安全施工的方法、监测手段和加固措施。     

大断面矩形顶管上跨施工对既有地铁隧道变形影响研究

大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道施工过程中,由于近距离开挖出土卸荷,导致既有地铁隧道产生上浮变形,危及地铁运营安全。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街—潞阳大街)综合管廊矩形顶管工程为背景,采用FLAC^3D有限差分软件建立了大断面矩形顶管上跨既有地铁隧道的三维数值模型,研究了双线矩形顶管上跨施工引起地铁隧道上浮的变形规律以及采用不同抗浮配重对既有地铁隧道的变形影响,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证了数值模型的准确性。研究结果表明：双线顶管上跨施工引起地铁隧道的上浮变形大于单线顶管引起的上浮变形,且最大上浮变形均位于顶管隧道轴线处;施加与开挖损失土体近似重量的配重,可改变地铁隧道原有水平变形规律,导致先穿越的地铁隧道整体向始发井方向移动,后穿越的地铁隧道整体向接收井方向移动。随抗浮配重的增加,地铁隧道上浮位移减小,所受拉应力减小,且施加开挖损失土体重量50%的抗浮配重,可以将地铁上浮变形控制在1.4 mm以内;研究成果为该工程地铁隧道抗浮设计提供了参考依据。     

隧道降水施工对既有市政管线隧道影响研究

针对成都某新建铁路隧道近接下穿既有市政管线隧道的降水施工方案,运用有限差分法和流固耦合理论,分析研究了降水施工过程中,既有市政管线隧道的受力特性及位移变化规律,研究结果表明:距离降水井约50m范围内,地表沉降量变化显著,易发生差异沉降;既有管线隧道初期与二衬结构应力和位移变化及分布规律几乎一致,交叉处界面位移最大,沿隧道纵向向两端逐渐减小且呈对称分布;交叉处30m范围内,初期支护和二次衬砌拱顶纵向应力主要为负值即压应力,仰拱纵向应力主要为正值即拉应力且最大拉应力超过了混凝土的极限抗拉强度。由此可知,降水施工对上部市政管线隧道的影响较大,降水施工前应采取一定的特殊辅助措施,以保证隧道结构安全性。     

山区滑坡诱发既有隧道受力变形影响分析

山区滑坡对既有隧道结构的受力变形有着重要影响。既有成果一般将滑坡体和隧道结构分开单独研究,而将两者结合起来进行研究还不多见,且多数停留在实际工程监测分析上,利用理论解析法对隧道-滑坡体相互作用的分析更是少见。首先,基于传递系数法和极限平衡法对滑坡下滑推力进行了计算;其次,将滑坡推力施加在既有隧道结构上,建立隧道-滑坡相互作用的弹性地基梁模型,采用传递矩阵法求解出隧道结构任意截面的内力和位移。在此基础上,建立三维数值模型对滑坡诱发隧道变形进行模拟,将数值分析结果与理论计算值进行对比验证,获得了较好的一致性。最后,针对滑坡推力大小、滑体内地基系数、滑床内地基系数、隧道衬砌刚度以及隧道长度等参数进行了影响分析。该研究成果可为滑坡区域既有隧道的维修加固提供一定的理论依据。     

铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准研究

从隧道施工引起地层变位的一般规律出发,分析了隧道施工对既有构造物的影响。结合长春站南北广场地下通道穿越既有轨道、站台、邮政通道及多处地下管线的具体情况,以规范规定的既有构造物允许不均匀沉降值作为控制目标,采用数学力学的基本分析方法,建立了相应的隧道施工地表沉降控制基准。所建立的控制基准,确保了工程安全、顺利地进行,并在工程中获得了实践验证。