液化地层下地铁工程抗地震液化措施研究

地震液化可能诱发极为严重的破坏,已成为工程领域的重要研究课题。目前,在可液化地层下地铁工程抗地震液化设计及施工经验较少,且现行规范针对液化地层所给定的处理原则在工程实际应用中较难操作。本文以天津地铁5号线穿越中等-严重液化粉土层区段为工程背景,同时以地震液化机理、影响因素及抗液化规范的应用为基础,结合数值模拟及现场试验,给出了地铁工程抗地震液化处理措施建议,并对各项措施的适用性进行了分析。研究结果表明:抗液化措施应结合地铁结构型式、结构与液化土层的相互位置关系、液化土层的厚度、液化等级以及周边环境等因素综合确定;在结构承载力及抗浮稳定性验算中应计入土层液化引起的土压力增加、摩阻力降低以及浮力增加等因素的影响;注浆加固对盾构区间抗地震液化有利。     

盾构刀盘偏置中心刀对刀盘推力和扭矩的影响

盾构机是地下工程中的典型掘进装备,具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点。刀盘载荷是装备的核心力学参量,实现刀盘载荷的合理计算是装备正向设计的理论基础,也是不同地质情况隧道施工中载荷控制的重要科学依据。盾构刀盘中心刀结构在掘进过程中承受很大比重的轴向载荷,为了进一步分析中心刀结构的改变对刀盘载荷的影响,采用数值仿真方法与模型试验方法对盾构刀盘与土体的相互作用进行了研究,得到了刀盘法向和切向切削载荷空间分布规律以及掘进过程中刀盘总推力和扭矩随掘进时间的变化规律,重点分析了偏置中心刀结构对刀盘推力和扭矩的影响。对比几种不同的中心刀结构,研究表明,偏置中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩小于鱼尾中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩。刀盘模型试验结果与数值仿真结果趋势一致。从载荷角度考虑,偏置中心刀刀盘优于鱼尾中心刀刀盘。该研究结果可为新型刀盘结构设计提供参考。     

盾构近距离穿越高架桩基的施工影响与保护措施

上海长江西路越江工程规模为双洞6车道盾构法隧道,采用外径为15.43 m的超大泥水盾构进行掘进施工。根据线路规划方案,该隧道需要近距离往返2次穿越逸仙路高架和地铁3号线高架桥墩桩基。盾构隧道的直径较大,并与高架桩基间的距离约为1 m,且不符合相关工程保护条例的要求,因此,有必要对盾构隧道近距离穿越高架桩基的施工影响和保护措施进行研究。借助有限元数值分析,模拟隧道近距离穿越高架桩基的施工过程,在考虑盾构施工引起地层损失的基础上,采用全方位高压喷射工法（MJS）加固桩基,并考虑不同的加固范围,分析施工对桩基变形和承载力的影响,提出一种安全经济的桩基保护措施。通过与实测数据对比,验证了提出的桩基保护方案的合理性。     

盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究

在盾构开挖面极限支护力的计算理论中,楔形体模型由于简单、直观而得到广泛的应用,但确定滑动面倾角 较为繁琐,尤其是在迎坡条件下的研究较少。在梯形楔形体模型的基础上,通过引入盾构隧道的纵坡坡度角θ,建立了迎坡条件下的盾构开挖面极限支护力计算模型,推导出开挖面极限支护力计算公式。对开挖面支护力计算值的数据分析发现,不考虑渗流力和黏聚力的影响时,滑动面倾角 仅受隧道线路纵向坡度角 的影响较大,而土的内摩擦角c、重度 、开挖面直径D、埋深H和地表附加应力q对其影响很小;考虑黏聚力c的影响时,c≤11 kPa时滑动面的倾角 随黏聚力的增大逐渐减小,且当黏聚力、内摩擦角和开挖面直径一定时,滑动面倾角 只在某一特定数值附近小幅度变化,同时当开挖面直径D>5 m时,滑动面倾角随开挖面直径的增大而增大;土的重度、地表附加应力和埋深对滑动面倾角的数值影响不大,计算滑动面倾角时可不考虑它们的影响。在分析研究基础上得到了滑动面倾角 的计算公式,简化了极限支护力的求解过程。     

深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式的上限分析

相对于盾构隧道施工的大量需求与快速发展的状况,国内在盾构工法特别是大型深埋盾构隧道施工技术和理论研究方面还存在不足,特别是水压条件下深埋盾构隧道开挖面稳定问题。基于极限分析上限法和水土压力统一参数,对考虑水压影响的均质土深埋隧道开挖面稳定性计算方法进行研究,建立了考虑水压影响的深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式模型,并推导了其极限支护压力计算公式。然后利用土层厚度加权平均法,可将上述方法应用于多层土深埋盾构隧道开挖面稳定性的评价中。最后,以上海长江盾构隧道实际工程为例,采用本文推导的极限分析上限三维对数螺旋破坏模式方法计算并分析其极限支护压力,并将计算结果与前人研究和规范方法计算的结果进行对比分析。通过该研究可改进与完善水压条件下深埋盾构隧道极限支护压力确定方法,从而为考虑水压条件下盾构隧道施工支护压力的合理确定提供理论依据。     

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

双孔盾构隧道近接施工离心模型试验研究

通过室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,研究了衬砌结构横向内力的量值、分布规律以及随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化规律。结果表明,衬砌结构拱顶和拱底内侧受拉,左右拱腰外侧受拉,拱底出现最大弯矩;整个结构均受压,拱顶和拱底处轴力较小,左右拱腰轴力较大;既有隧道施工完成后,结构内力基本呈对称分布,且随着新建隧道的施工,两隧道结构内力将随其相对位置的变化而变化;新建隧道施工对既有隧道结构内力影响明显,设计施工时应采取相应的加强措施。     

考虑盾构掘进速度的隧道掘进面稳定性分析

隧道在低渗透性土壤中掘进,盾构掘进速度的改变将引起作用在掘进面上支护压力的显著变化。考虑盾构掘进速度以及土体的渗透系数的影响,通过伽辽金有限元法推导三维稳态渗流有限元方程,使用FORTRAN代码编制数值分析程序计算稳态地下水流条件下隧道掘进面附近水头分布。维持掘进面稳定极限支护压力由有效支护压力和渗透力共同构成,前者基于土体稳定的极限平衡理论计算结果,后者通过隧道掘进面附近水头分布推导得出。结果发现,低渗透性土层中进行隧道掘进,盾构掘进速度的改变对隧道掘进面附近水头分布产生很大影响,掘进速度的增加将引起作用在隧道掘进面上支护力的显著增加。理论分析结果与实验数据取得较好的一致,验证了该理论与方法的合理性和有效性。     

盾构隧道穿越苏州河对防汛墙的影响分析

轨道交通11号线盾构隧道穿越苏州河将会对防汛墙的安全造成影响。为保证盾构顺利实施,拔高影响盾构穿越的桩基,采用双跨门洞式的结构型式对防汛墙结构加固改造。在保证防汛墙安全的前提下,为隧道穿越预留了足够空间。运用有限元数值模拟方法建立计算模型,对隧道穿越前后防汛墙结构的受力和变形形态进行分析。研究结果表明,隧道穿越前底板呈连续梁变形规律,长桩桩身中部和短桩桩端呈向外侧扩张的趋势,整个结构受力性状符合门洞式刚架结构的特性。隧道穿越后,底板的变形趋势与隧道穿越前变形规律相似,最大变形位于隧道上部跨中部位,而桩基变形形态则完全不同,隧道开挖引起长桩桩身中部和短桩桩端向隧道侧的变形,长桩呈挠曲变形,桩身最大变形位于隧道拱轴线附近,短桩呈刚体变形,最大变形位于桩端。经与实测沉降数据对比,盾构的穿越对防汛墙变形的影响处于可控状态,整体防汛墙计算沉降值与实测值较为接近。     

泥水盾构泥膜动态形成机制研究

随着大直径泥水盾构的广泛应用,盾构掘进过程切削成层土的可能性越来越大,常规的静力平衡的方法不能有效地控制开挖面的稳定。从泥膜形成的机制入手,将泥水仓中的泥浆视为由液相和颗粒相组成的两相流,将开挖地层视为多孔介质,利用多相流在多孔介质中的渗流特性提出了泥膜动态形成的过滤模型。此模型将泥膜视为控制体,并认为泥膜形成过程中遵守质量守恒和体积守恒定律,从边界条件上认为单位时间内从单元体内排出水量与土体积的压缩量相等。过滤模型较好地揭示了泥水盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程和开挖地层力学性质的动态变化过程,对泥水盾构正面稳定有较为重要的意义。