不同因素导致的差异沉降对盾构隧道受力特性影响研究

盾构隧道在下卧地层软硬突变、局部堆载等因素影响下易产生不均匀沉降,可能诱发管片环间错台、螺栓断裂和接缝渗水等病害,危及隧道安全。然而,现有试验研究在隧道模型上多将纵向接头简化处理,难以反映盾构隧道纵向受力变形特性,对于隧道下卧软硬突变地层等工况的模拟也较为缺乏。为此,提出一种可同时模拟抗拉、抗弯刚度的“弹簧+螺栓型”接头,并以此接头制作可满足纵向力学性能相似的隧道模型,对盾构隧道进行下卧软硬突变、局部堆载等工况下的模型试验,进一步探明不同因素导致的差异沉降对盾构隧道的影响机理,并采用数值模拟验证了试验的可行性。研究结果表明:1)较单一地层而言,隧道下卧软硬突变时纵向沉降曲线呈现明显的非线性,其隧道沉降及差异沉降最值显著增大,软土侧隧道沉降较硬土侧更为显著,最大沉降、沉降差均出现在突变区软土侧衬砌处;2)下卧地层突变导致隧道横向收敛变形在纵向上分布不均,使软土侧衬砌收敛变形减小,硬土侧衬砌收敛变形显著增大;3)局部堆载对管片弯矩分布影响较小,对弯矩最值影响较大;4)下卧软土区隧道结构内力分布明显变异,隧道衬砌正弯矩区域显著增大,负弯矩区域略有减小,且弯矩最值提升显著。因此针对软硬突变地层,必要时在硬土侧隧道可采用粘钢法等方法提升衬砌横向刚度,以控制其收敛变形;软土侧隧道建议对管片进行螺栓复紧,并加强接缝防水,以减小下卧地层弱化对隧道结构产生的不利影响。

软硬不均地层盾构隧道荷载模式研究

系统考虑隧道埋深、滑移面形式、侧压力系数与地层的关联,提出一种适用于软硬不均地层的盾构隧道荷载模式。对于浅埋隧道,基于椭球体理论推导极限状态下滑移面为椭圆的侧压力系数及竖向松动土压力表达式,并构建力学平衡方程推导侧压力计算式;对于深埋隧道,考虑软硬不均地层突变性并对太沙基理论滑移面宽度进行合理修正,推导对应的围岩压力计算式;再结合软硬不均地层分界线位于隧道水平中线上方、下方2类典型工况,推导出隧底反力表达式;最后结合工程实例对所提荷载模式进行验证。结果表明:与修正惯用法荷载体系相比,所提方法得到的软土-硬土隧道顶部、下半拱竖向土压力与实测值的误差分别缩小74%和172%;相较于软土-硬土隧道,该方法应用于土层-岩层隧道时,计算得到的下半拱竖向土压力、隧底侧向土压力与实测值的误差更小,即所提荷载计算模式更符合隧道实际受荷状态,且当隧道埋深与开挖直径之比较大以及下部地层越坚硬时,其适用性越强。

含壁后空洞盾构隧道管片安全分析

为探究空洞对盾构隧道的影响机理,通过建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,研究不同空洞深度、面积、位置等多种情况下管片内力、变形及截面安全系数的变化规律,并探讨管片不同拼装点位对含壁后空洞隧道的影响。研究结果表明:隧道壁后不同位置空洞对结构安全不利影响的排序为:隧腰>隧底>隧顶;空洞面积为5.0 m^(2)时,随空洞深度增加,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩及安全系数呈先减小后反向增大的趋势,且管片椭变先减小至0后反向增大,弯矩分别在空洞深0.3、0.2 m时反弯,左隧腰空洞中心处截面安全系数不断降低,管片椭变及弯矩大幅提升;空洞深度为0.5 m时,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩均在空洞面积3.75 m^(2)时反弯;空洞范围内存在纵缝会降低空洞中心处隧道截面内力并提升其安全系数,但其最大张开为空洞内无接缝时的2.0~3.5倍。研究成果可为盾构隧道壁后空洞安全评价、拼装点位选取提供参考。

侧部注浆对已建盾构隧道受荷变形影响试验研究

采用侧部注浆法整治盾构隧道横椭圆变形超限过程中,盾构隧道周围附加土压力及隧道变形特性暂不明晰。通过几何相似比为1∶10的缩尺寸模型试验开展了侧部注浆对已建盾构隧道的影响试验研究,试验结果分析表明:在注浆挤压作用下,将导致隧道周围的土压力在注浆点处局部增大,两边有一定程度的减小,产生了明显的水平被动土拱现象;在注浆附加荷载影响下,模型盾构隧道在注浆点附近发生了竖椭圆变形,而在离注浆点较远处则发生了横椭圆变形,且隧道发生了反弯现象;注浆过程中发生了“渗透→挤密→劈裂”扩散模式与“挤密→劈裂→渗透”扩散模式,并阐明了两种浆液扩散模式的扩散机制;隧道外壁附加荷载主要由浆液通过渗透扩散与劈裂扩散的浆液压力所形成,同时浆液挤压土体变形对隧道周围的浆液也将形成一定的挤压荷载。

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

某超深圆形基坑围护结构优化分析

针对佛山市某超深圆形工作井围护结构设计问题,结合地层特点采用数值模拟及现场实测手段对原设计方案进行分析.对围护结构厚度及嵌固深度进行优化分析,探讨相同条件下基坑稳定性随着围护结构厚度及嵌固深度的变化规律.结果表明:开挖面入岩的超深圆形基坑自稳性好,从经济角度考虑,围护结构嵌岩不宜深;足够刚度的内衬墙基础上,较薄的地连墙嵌固很浅也可检算通过,且有较大安全富余,可为相关工程提供参考.

方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响

为研究方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响,以某桥梁承台基坑为依托,采用数值分析手段,通过现场实测对选用参数进行验证,依托选用参数拟定不同平面尺寸计算工况,通过地层应力与桩后土压力变化分析其尺寸效应;通过对比长短桩围护结构与等长桩围护结构的变形受力差异,探明尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响。结果表明:当方形基坑尺寸较小时,在坑边一定距离处会形成连续、封闭的“类圆形”拱区域,存在与圆形基坑中环箍效应相似的“类环箍效应”,算例表明该效应在边长大于18.0 m后环箍断开,效应消失;当拱区域封闭为环箍时,围护结构桩后土压力显著降低,当其不封闭时,土压力增长,坑边中部桩后土压力增长量大于坑角处;长短桩围护结构的支护效果在尺寸效应越强的方形基坑中降低越少,基坑的尺寸效应对其变形及稳定有利,算例中边长小于等于14.4 m的基坑可充分利用其尺寸效应,采用长短桩代替等长桩围护,做到绿色环保。

上软下硬复合地层基于衬砌结构弯矩最小化的隧道横断面优化设计

[目的]为有效防止隧道衬砌破损及渗漏水,对上软下硬复合地层隧道横断面进行衬砌结构弯矩最小化设计研究。[方法]根据复合地层隧道围岩压力特点及合理假设,提出软土-硬土及土-岩两类复合地层隧道衬砌结构荷载作用模式。基于最理想的零弯矩复合地层隧道优化思路,建立隧道横断面半结构力学模型,计算得出零弯矩隧道横断面合理轴线方程,以及复合地层分界线处及隧道横断面水平中线处直径解析表达式。简述了复合地层隧道横断面弯矩最小化设计流程。[结果及结论]软土-硬土隧道零弯矩横断面合理轴线呈梨形,土-岩隧道零弯矩横断面合理轴线呈类马蹄形;实际工程可基于隧道横断面合理轴线方程,通过综合评估和加权平均法来确定隧道横断面设计所需关键参数,从而设计出新型上软下硬地层隧道横断面,以期最大限度减少复合地层隧道横向变形。

湖中基坑-双排钢管桩围堰受力变形分析

为便于施工,位于水域中的基坑工程通常需要施作围堰来保证施工场地干燥,但目前对围堰变形的研究尚不完善。以南昌艾溪湖隧道工程为研究背景,利用Midas GTS NX有限元软件,研究围堰宽度、拉杆位置对双排钢管桩围堰变形规律的影响,并通过将模拟计算结果与实测数据进行对比,验证了模型的合理性。研究结果表明:围堰宽度有一个合适的范围,过小过大均会造成围堰变形过大。在本工程中,围堰合理宽度范围为3.5~4.5 m,围堰宽度的改变对围堰内基坑开挖变形影响较小;综合两侧钢管桩变形来看,拉杆设置在围堰顶部0.8 m处时两侧钢管桩变形较小。

超、卸载作用下考虑接头影响的盾构管片承载性能研究

地表堆载或侧方开挖卸载易诱发盾构隧道病害,影响施工及运营安全.现有研究难以综合定量评价超、卸载作用下盾构隧道的承载性能,其数值模型大多仅考虑环向或纵向接头的单一影响,将接头等效为切向及法向弹簧,难以考虑接头的非线性,或是直接将螺栓嵌入混凝土中,忽略螺栓预紧力的承载贡献,接头精细化程度不足.为此,建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,对顶部超载和侧方卸载工况作用下结构的受力特性和承载性能展开分析,获取不同工况下结构的承载极限及相应的变形阈值,并利用足尺试验验证了数值模型的可行性.研究结果表明:本文数值计算结果与足尺试验吻合良好,二者椭圆度变形差异小于10%;计算精度较仅考虑环向接头影响时提高约6%,较未考虑接头影响时(均质圆环)提高约30%,可实现盾构管片结构变形过程及损伤演化的动态模拟;盾构隧道有一定的富余承载力,当隧道上方超载达138 kPa或侧方压力卸载达26.3%时,结构相应的椭圆度分别为27.4‰和22.1‰,结构达到正常服役的极限状态,当隧道超出正常服役极限状态后,接头塑性铰逐步成型,结构软化并逐渐失效,接缝张开及管片错台也急剧上升;隧道侧方压力卸载达26.3%后,其接缝张开及管片错台曲线不再光滑,侧压卸载超36.8%后,曲线的起伏波动更为明显,隧道侧方卸载过程中结构受力响应更为复杂、敏感.

基于壳体模型的隧道旋喷拱棚预支护下掌子面稳定性分析

为探究旋喷拱棚预支护下隧道掌子面稳定情况,将预支护拱棚简化成半无限长柱壳结构,引入Pasternak双参数地基模型,以此建立拱棚挠度方程,结合实际工程,将理论计算得到的拱棚挠度与数值计算结果进行对比,验证了双参数地基壳体模型的适用性。最后将在此理论模型下求解得到的地基反力作用于隧道掌子面上方,推导了掌子面稳定性公式,并探究在不同因素影响下隧道掌子面稳定性规律。结果表明:基于双参数地基下壳体理论的掌子面稳定分析模型由于考虑了预支护拱棚的整体加固效应以及下方岩土体的剪切变形作用,计算结果更加符合实际工程情况;围岩参数、施工因素、地层条件对隧道掌子面稳定有直接影响,不同参数影响程度不同,影响程度从大到小总体表现为:黏聚力、摩擦角、开挖高度、初始挠度、埋深,随着黏聚力增大、摩擦角增大、初始挠度减小、开挖高度减小、开挖进尺减小,掌子面稳定安全系数增大。当围岩较差时,纯粹短进尺不能保证掌子面稳定,需采取围岩加固或辅助措施;随着隧道埋深增大,掌子面稳定安全系数先线性减小后增加最后趋于稳定;减小开挖高度和控制初始挠度,对掌子面稳定性有利,此时再采用合理的开挖进尺对围岩稳定优势更明显。

紧邻铁路偏压基坑围护结构变形与内力测试分析

以深圳地铁5号线民治站基坑工程为依托,通过对基坑连续墙水平位移及内力的实测分析,系统研究偏压基坑围护结构位移和内力特征,对围护结构稳定性进行评价。测试结果表明:基坑开挖较浅时,两侧墙体上部发生向基坑内的变形,但受列车及路基偏压影响,紧邻铁路侧墙体位移比远离铁路侧墙体位移大,基坑挖至一定深度后,远离铁路侧墙体上部向基坑外移动,且基坑开挖越深,向基坑外变形越大;相同工序、相同深度条件下,紧邻铁路侧墙体弯矩较远离铁路侧大,紧邻铁路侧墙体弯矩最大值位置比远离铁路侧墙体深;根据偏压基坑位移及受力模式,设计上应对基坑两侧支护参数区别考虑。测试结论可为偏压基坑设计施工提供参考。

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。

超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道施工风险分析及控制研究

以广-珠铁路江门隧道下穿富水河道段为依托,针对其超浅覆、大断面、富水等特点,对超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道的风险源进行系统分析,阐述风险产生的原因及造成的危害。在对可能采用的预加固手段及开挖方案进行初步比选后,采用三维数值模拟手段进一步量化比选,提出在地表隔水措施基础上,采用水平旋喷与大管棚复合超前支护并结合三台阶法开挖方案。研究表明,该方案能有效止水并加固地层,有效规避塌方风险,保证隧道施工安全的同时,加快施工进度及降低造价,可为类似工程提供参考。

基坑开挖引起紧邻地铁隧道力学响应与处理方案研究

针对在建基坑对既有地铁隧道影响问题,依托杭州某基坑工程,建立三维数值仿真模型,分析既有地铁隧道在基坑施工中的受力变形响应,重点评价基坑施工引起隧道结构的附加应力及变形,在此基础上,研究临近隧道侧围护结构参数加强、分块对称开挖等措施对隧道结构受力变形的控制效果。研究结果表明:基坑开挖对临近既有隧道的影响程度与两者之间的距离、基坑支护结构刚度及开挖顺序有关,距离越近、支护刚度越小、一次开挖范围越大影响越大;加强临近隧道侧围护结构刚度和合理采用分块对称开挖均能很好地控制基坑变形,尤其适用于变形控制严格的工程;除附加变形外,隧道结构附加内力可作为隧道结构稳定分析的重要评价指标。

隧道衬砌裂缝精细化识别及其评价

为了研究隧道衬砌裂缝形态的精确描述与特征量化,采用隧道衬砌全景图像的方法,以某隧道工程为依托,通过隧道衬砌展开影像生成器软件将采集的衬砌裂缝影像进行特征点提取、匹配、模型识别、图像展开与拼接处理,得到较为全面反映隧道衬砌全景展开图像。从图像增强的预处理、图像边缘检测、裂缝特征区域干扰点去除、裂缝连接及特征统计方面进行算法分析,并通过连通区域标记方法寻找裂缝的端点来确定缺陷在图像中的空间位置及角度方向,运用裂缝像素位置关系原理进行裂缝长度的换算统计,从而提取出衬砌裂缝的详细特征信息,开发出一套隧道表面衬砌裂缝识别评价系统,为隧道衬砌裂缝检测提供一种便捷、高效、全面的综合检测系统。结果表明:该方法运用自主开发的TLIM软件实现了将空间图像转为平面图像,具有很好的描述性及测量性;通过实践证明该方法大大降低了"伪裂缝"的干扰,提高了对裂缝识别的准确率;该方法实现了裂缝的有效连接与连接段裂缝种子的恢复,还原真实裂缝形态信息,从而可以得到详细完整的裂缝统计特征信息;该技术方法实现了对缺陷的精细化描述定位,主要从其裂缝位置、长度、方向等方面进行量化分析;该技术方法目前已在具体工程中获得应用且效果尚佳。

软弱地层浅埋隧道加固范围及强度参数的研究

针对无自稳能力及基本自稳的2类软弱地层，分别选用安全系数和地表沉降作为评价指标，采用考虑流固耦合的数值方法对加固范围及强度参数进行分析，同时根据不同埋深隧道的破坏模式，对横向加固范围进行探讨。研究表明，加固圈的厚度及强度需同时满足一定条件方可取得较理想的效果，对于非自稳地层，加固厚度以2～2．5m为宜，加固圈强度提升至原地层的6倍可基本保证地层自稳；对于基本稳定地层，加固圈厚度以1．5～2m为宜，加固圈强度提升至原地层的5倍为宜；最后通过计算验证了根据地层破坏机理提出的加固范围。

富水软弱地层隧道水平旋喷与大管棚预支护研究及应用

水平旋喷桩有良好的地层加固及止水功能,然受地层条件、材料特性及工艺所限,难以形成均匀封闭的理想壳体,不能在掌子面前上方组合成有利的预支护壳体结构。为此,笔者提出水平旋喷桩与大管棚复合预支护方案,并采用FLAC3D软件,建立考虑流固耦合的三维模型,对该方案加固机理进行研究。结果表明,在水平旋喷桩下方增设大管棚,可减小桩体的塑性区范围、拉应力,改善旋喷桩的受力;复合结构能充分发挥各自力学优点,即横向可发挥水平旋喷桩的"拱效应",纵向上利用管棚的"梁效应";同等条件下,降低水平旋喷桩所受拉应力,从而提高水平旋喷桩自身稳定及加固效果。该方案在广珠铁路江门隧道下穿富水河道段获得了成功应用,可为类似工程设计提供参考。

隧道围岩压力运动单元上限有限元计算方法

针对隧道围岩压力与破坏模式问题,应用刚体平动运动单元上限有限元方法(UBFEM-RTME)与程序开展计算分析,获得了支护反力系数Nγ及Nc上限解曲线图和围岩有效间断线网破坏模式及其演变规律。与多种基于假定破坏机构的刚性块体上限法及模型实验结果进行对比分析,验证了UBFEM-RTME方法获得的支护反力σT上限解为极限分析上限理论框架内的较优解答,并且Nγ及Nc上限解与太沙基围岩压力解答变化趋势基本一致。除Nγ及Nc上限解外,UBFEM-RTME方法获得的隧道围岩有效间断线网破坏模式存在多种形态特征,大致涵盖了既有文献关于围岩破坏机构假定的多种型式,体现出该方法能摆脱假定破坏机构的限制,应用于隧道围岩压力求解具有良好适用性。

富水软弱地层隧道复合加固机理及参数研究

水平旋喷技术因具备加固地层和止水的双重功能,成为富水软弱地层隧道预支护的较好选择,然而,受地质条件、材料特性及施工工艺限制,预支护体本身存在着不可避免的缺陷,若与掌子面加固复合应用可较好克服缺陷,针对两者复合机理进行分析,同时依托具体工程进行参数讨论。研究结果表明:水平旋喷桩径及刚度增至一定量时,对地表沉降控制效果不再明显;掌子面加固对掌子面挤出变形控制也有一个较优范围,超过该范围控制效果不明显。说明水平旋喷预支护与掌子面加固不能一味强调加固范围及刚度,应根据具体工程选择最佳值。