考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解

为反映外荷载下盾构隧道相邻环间张开和错台,提出考虑环间接头影响的盾构隧道纵向变形简化解答。首先,引入纵向梁-弹簧模型模拟盾构隧道纵向受力变形,其中采用Timoshenko短梁考虑隧道环段变形,引入转动和剪切弹簧分别模拟环间接头转动与错台。其次,构建弹性地基上纵向梁-弹簧模型的有限差分方程,以解决环间接头-管环非连续变形求解问题,并推导外荷载下既有盾构隧道的纵向变形公式。最后,建立新建隧道上穿和下穿引起既有盾构隧道的纵向变形解答,并与新建隧道上、下穿越工程案例及现有理论方法对比验证。研究结果表明:所提方法预测的隧道位移与Timoshenko连续梁模型,协同变形模型和实测数据均具有较好的一致性,但所提方法得到的环间错台略低于Timoshenko梁模型和协同变形模型;所提方法可考虑环间接头的影响,得到的隧道位移曲线呈现既不光滑也不连续的特征,其中环段变形以刚体位移为主,而环间接头主要发生转动和错台;而基于现有理论所得盾构隧道纵向位移均为连续曲线,无法反映环间接头的真实转动与错台位移。

新建隧道近接上穿对既有盾构隧道纵向变形的影响

新建隧道近接上穿将诱发下卧盾构隧道隆起变形,预测既有盾构隧道位移发展对近接上穿施工控制和既有盾构隧道保护具有重要意义。基于两阶段法,提出新建隧道近接上穿引发既有盾构隧道纵向位移解析解;通过可考虑环间接头弱化的非连续盾构隧道模型模拟既有盾构隧道,采用Riftin地基考虑盾构隧道-土层相互作用,同时通过Mindlin经典解得到新建隧道开挖卸载应力,并作用于既有盾构隧道之上,建立新建隧道上穿作用下既有盾构隧道纵向变形解答;通过将杭州圆形顶管隧道上穿既有地铁1号线、上海地铁8号线隧道上穿既有地铁2号线两个工程案例实测值与本文方法和常用Euler-Bernoulli(EB)等效连续梁模型计算结果进行对比,验证本文方法的合理性。研究结果表明:本文方法和EB连续梁模型预测的隧道纵向位移均接近实测值;本文方法预测的隧道弯矩和接头张开量均大于EB连续梁模型;但EB等效连续梁模型预测的纵向位移曲线整体呈现为光滑连续,而本文方法预测的位移曲线是由一系列短直线连接而成,在接头处存在“尖点”。

双线矩形顶管上穿施工对地铁盾构隧道影响分析

针对新建矩形顶管上穿作用下盾构隧道结构受力和变形特点认识不足的问题,以双线矩形顶管综合管廊上穿地铁盾构隧道工程为背景,通过建立三维有限元模型,研究既有盾构隧道在双线矩形管廊上穿施工诱发下的管片及其接头变形机制.首先,构建接头受力-位移的关系模拟管片间接头的受力变形过程,并以管环承载性能足尺试验验证其有效性.然后,依托工程实例,进一步建立盾构隧道结构-地层三维有限元模型.最后,对比现场监测和数值模拟的结果,全面分析盾构隧道纵向变形、环间错台和接头剪力等规律.研究结果表明:首次穿越的综合管廊诱发的盾构隧道隆起占据主导,而二次穿越的低位箱涵对最大隆起量贡献仅为9%;主要穿越区内管环呈现竖椭圆化收敛变形,拱顶隆起位移最大,分别为拱腰和拱底的1.15倍和1.35倍;盾构隧道沿纵向的隆起曲线呈现“阶梯状”,隆起位移主要以管片环间受剪切产生的错台为主,其中拱顶错台量最大,为拱腰和拱底的1.1倍和2倍;穿越影响区内管片环间接头剪切力呈现非均匀分布,拱顶和拱腰遭受较大剪力,而拱底所受剪力最小;穿越区边缘位置管片环间接头剪切力最大,约为穿越中心区管片环间接头剪切力的2.6~2.8倍.相关研究成果可为新建隧道上穿盾构隧道保护与监测提供支持.

地表堆卸载对浅覆土盾构隧道影响试验研究

地铁沿线开发利用过程中不可避免地造成紧邻地铁隧道的地表临时堆载,堆载清除后依然会对隧道结构造成不可恢复变形,影响地铁安全运营。现有的研究主要集中在堆载过程引起的盾构隧道变形,缺少堆载−卸载这一完整过程的研究。为探究地表堆−卸载引起的浅覆土隧道变形特性,以错缝无榫槽盾构隧道为原型,使用3D打印技术制作的盾构隧道模型开展砂土地层盾构隧道的浅覆土堆−卸载试验和常覆土堆载试验,分析浅覆土隧道堆−卸载过程受力及变形情况,并对比堆载过程浅覆土隧道与常覆土隧道受力及变形结果。实验结果表明:地表堆−卸载过程引起隧道管环变形由整体沉降和径向收敛2个部分组成。地表临时堆载引起隧道的部分变形是不可逆的,且浅覆土隧道的卸载回弹变形具有一定的滞后性,卸载后,隧道环的不可恢复位移偏移量:拱底>拱顶>拱腰。距离荷载中心越近,截面椭圆化越明显,且拱顶、拱底和拱腰是产生弯矩的峰值处。浅覆土隧道对地表荷载变化更敏感,在地表堆载下产生明显的沉降区,且隧道两端发生翘起现象;常覆土隧道差异沉降相对较小,沉降曲线较平滑。浅覆土隧道受到附加应力更大,但受影响范围要小于常覆土隧道。研究可为地表突发堆载中既有盾构隧道的保护提供理论依据。

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载;其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量;增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大;增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。

新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向隆起分析

为准确预测新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形,首先,引入可以更加合理地模拟隧道-土体相互作用的Kerr地基模型,将既有隧道简化为Kerr地基上的Euler-Bernoulli梁;其次,基于Mindlin解得到新建隧道开挖引起既有隧道轴线处的附加应力;然后,基于有限差分法求得新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形解答;最后,通过3个工程案例验证该方法的有效性,并对部分参数进行分析讨论。研究结果表明:该方法较Winkler地基和Pasternak地基方法更能准确地预测新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形。参数分析结果表明:新建隧道直径的增加会同时增大既有隧道的隆起值和影响范围,而净距的增加会略微降低既有隧道的隆起值,但不会缩小既有隧道的影响范围。在实际工程中,当新建隧道以大断面或小净距上穿开挖时,应加强对既有盾构隧道的变形监测和保护。

地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究

随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多,地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发,易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害,严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续结构分析,忽视了管片间接头的影响。通过构建管片间接头受力模型,建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型,研究了地表突发堆载作用下地铁盾构隧道的受力变形机制。结果表明:地铁盾构隧道整体在纵向上出现高斯分布的不均匀沉降,管片环在横向上被压扁成“横鸭蛋”形;管片环内接头张开和错台均集中于堆载宽度范围内,管片环间接头张开和错台分别集中于堆载中心和堆载宽度边缘;地铁盾构隧道沿纵向的沉降大部分由管片环间错台累积贡献,最大累加错台量占最大沉降量的73%;管片环在横向上呈现非协同变形,拱顶沉降量是拱底沉降量的1.5倍,管片环间接头的剪切力由拱顶向拱底逐渐递减;管片环收敛率在堆载中心正下方最大达4.1‰,收敛变形导致拱顶处和拱腰处管片环内接头分别向管片环内部、外部张开,以及拱顶处、拱腰处管片应力集中;堆载中心正下方管片环间截面上的应力分布以29°的中性轴为界,中性轴以上管片受压,中性轴以下管片与螺栓同时受拉。本文所提出的地铁盾构隧道结构变形三维精细化数值模拟方法能够高效、准确地模拟地铁盾构隧道结构和管片间接头部位的受力和变形特点,具有一定的工程应用价值。

盾尾非对称推力作用下盾构隧道纵向变形分析

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中,盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩,从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先,建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁-弹簧盾构隧道模型(simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model,简称SLBSM);其次,将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM,采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比,验证了所提方法的可靠性和适用性,并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明:连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征,而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征,隧道纵向位移在接头处会发生突变;通过参数分析可知:增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量;增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量,但会导致隧道隆起和剪力的增加;增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起,但会导致环间错台量的增加;管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可忽略,增大始端轴力能显著降低隧道隆起值、环间张开量和错台量。

层状地基新建隧道上穿引起盾构隧道纵向变形耦合分析

为准确预测新建隧道上穿作用下既有盾构隧道的隆起位移,考虑土体的天然成层性,提出成层地基中新建隧道上穿作用下盾构隧道纵向位移的解析解答。首先,分析盾构隧道与周围土体的相互作用,构建盾构隧道与土体的整体耦合平衡方程。其次,基于Mindlin解求得新建隧道开挖卸荷作用下下部成层地基土的隆起位移,结合耦合平衡方程得到盾构隧道的纵向位移解。最后,与3个上穿工程实测数据进行对比,对相关参数进行分析。结果表明:1)当既有隧道下部地基分层性不明显,前人基于弹性地基梁的预测方法与本文方法均能较好预测下部隧道的隆起位移;2)当地层具有明显分层时,所提方法预测结果与实测结果具有较好的一致性;3)增大新建隧道直径将导致既有盾构隧道隆起位移的增加和隆起范围的增大;4)减小新建隧道与下卧隧道之间的穿越净距将导致下部盾构隧道的隆起值增加;5)既有盾构隧道位于上软下硬地层之上时,其隆起范围小于上硬下软地层,但其隆起量大于上硬下软地层。

非饱和黏性土中盾构施工引起超静孔压简易算法

盾构掘进在施工期产生的超静孔隙水压力对开挖面稳定性、工后沉降以及衬砌管片等隧道结构的受力特性具有重要影响,现有研究较少考虑土体饱和度的影响。基于弹性理论和非饱和土孔隙水压力理论,考虑饱和度对剪切模量的影响,建立了一种简单可靠的算法,可用于快速评估非饱和黏性土场地盾构施工引起的超静孔隙水压力分布。对比发现,该方法在超静孔压量级和分布规律上与现场实测和有限元方法结果均具有较好的一致性。进一步的参数分析结果表明:在隧道上方和下方分别产生负的和正的超静孔隙压力;不同饱和度下超静孔压幅值有较大区别,随着土体的饱和度降低,超静孔压呈降低趋势,降幅呈现先快速后减慢的变化趋势;土体固结程度对超静孔压分布有较大影响,随着土体超固结程度增加,负超静孔压分布的范围增大;埋深比、间隙参数g和泊松比ν等因素下超静孔压分布规律相似,超静孔压幅值则有较大区别。

双圆盾构隧道结构纵向等效抗弯刚度解析解

在邻近施工的作用下,双圆盾构隧道会发生纵向不均匀位移;而双圆盾构隧道的纵向等效抗弯刚度是表征其纵向抗弯性能的重要力学参数,也是预测外部荷载作用下双圆盾构隧道纵向变形的关键参数。为保障双圆盾构隧道结构安全,对双圆盾构隧道的纵向受力变形进行预测。基于纵向等效连续化模型,考虑螺栓预紧力的作用和环缝影响范围的影响,推导得到双圆盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解。结合双圆盾构隧道截面的特点,分别考虑中性轴位于上部边缘、上部双拱、腰部和下部双拱的4种情况,并给出界限弯矩表达式。以国内首条双圆盾构隧道为例,分析弯矩、螺栓预紧力和环缝影响范围对双圆盾构隧道纵向抗弯性能的影响。研究表明:1)当存在螺栓预紧力时,纵向等效抗弯刚度随着外部弯矩增加而呈现“反S”形态下降,并最终趋于无预紧力条件下的隧道纵向等效抗弯刚度值。2)中性轴位置亦非固定位置,随着外部弯矩增加,中性轴逐渐下移;且当外部弯矩小于环缝启动弯矩时,隧道的纵向抗弯刚度与均质隧道抗弯刚度一致。3)当环缝长度影响系数小于1时,中性轴位置始终保持不变,但纵向等效抗弯刚度有效率随着环缝作用区系数增大而迅速下降;当环缝长度影响系数大于1时,中性轴上移,管片受压范围增大,随着环缝作用区系数增大,纵向等效抗弯刚度有效率值缓慢减小并趋于一个定值。4)增大螺栓预紧力,环缝张开启动弯矩随之增大,隧道的抗弯刚度衰减更慢,同时中性轴位置上移,管片受压范围扩大。

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。

软土地区盾构施工竖向姿态控制研究

在软土地层中,盾构掘进过程将不可避免地产生盾构姿态偏离。当盾构以偏离设计轨线掘进时,将导致管片应力集中、管片开裂及过大地层沉降等不良后果。文章结合杭州地铁某区间盾构掘进实测数据,分析了盾构在杭州典型软土地层施工中竖向姿态变化及控制措施。结果表明:在停机拼装管片过程中,盾构不可避免发生倾斜,产生负的俯仰角;在掘进过程中,俯仰角变化对纠偏力矩变化敏感,纠偏力矩控制是调整俯仰角的有效措施;盾构姿态调整是动态过程,需要详细设计纠偏计划及耐心操作。

软土地区盾构施工沉降界限

结合杭州地铁二号线实测沉降,采用“vi速度法”及“拟合直线法”分析不排水瞬时沉降与排水固结沉降的时间界限.分析发现,在地表无隆起的情况下,可以将地表变形分成3个阶段,其中瞬时沉降及固结沉降可以分别拟合为斜率不同的直线,前者斜率大于后者.在盾构脱开管片8.5～9d后,地层进入排水固结阶段.在同步注浆导致地表隆起的情况下,地层受到二次扰动,可以将地表变形分为5个阶段,在盾尾脱开管片10.5～12d后,地层进入排水固结阶段.

考虑隧道剪切效应的隧道下穿对既有盾构隧道的纵向影响

将既有隧道简化为能考虑隧道剪切效应的Timoshenko梁,提出在隧道开挖作用下既有隧道纵向响应的解析解答.通过两阶段分析法,分析隧道开挖过程中既有隧道的变形及内力响应.基于修正的Loganathan和Polous地层位移理论,预测新旧隧道成任意夹角情况下隧道开挖引起的自由土体沉降分布;把隧道开挖引起的自由土体沉降施加于既有隧道之上,并基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的既有隧道纵向变形微分平衡方程;通过有限差分法求得在自由土体沉降作用下既有隧道纵向变形及内力数值解答.收集2个已发表工程实测数据,并与所提方法和Euler-Bernoulli法得到的计算结果进行对比.通过对比分析发现,实测结果与两者计算结果有良好的一致性;相对于所提方法,基于Euler-Bernoulli梁的计算结果明显高估了隧道的弯矩、剪力及接头张开量;所提方法能有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步得到隧道开挖作用下的既有隧道错台量.研究成果可为合理预测隧道开挖对既有隧道影响提供一定的理论支持.

软土地区土压平衡盾构停机实测分析

文章结合杭州软土地层某一地铁区间盾构掘进过程中的两次较长时间停机事故,研究了土压平衡盾构在软土地层中停机期间地层的变形特性。分析结果表明:在盾构停机过程中,沉降影响范围超过5倍盾构直径,远大于正常掘进情况下3倍盾构直径的影响范围;盾构前方土体呈现整体沉降的规律,其沉降槽不能被Peck正态分布公式拟合;在盾构重新启动时,与正常掘进相比,盾构千斤顶总推力急剧上升。究其原因认为,在停机过程中,受扰动结构性软土强度恢复影响,导致盾构与土体之间摩阻力大幅增大所致。本文结果对研究软土地区盾构施工因故停机期间地层及盾构响应特性有一定借鉴意义。

软土地区土压平衡盾构反扭矩分析

基于土力学基本原理,综合考虑覆土、盾构自重及未脱开管片自重、千斤顶反力因素等产生的阻滞力矩,推导出在软土地层中盾构施工反扭矩理论计算方法。通过杭州软土地区盾构地铁区间实例分析,发现理论计算反扭矩为实测切削扭矩18.9到16.0倍,表明在盾构切削施工过程中,反扭矩足够保证盾构正常掘进而不会有产生侧翻的可能。在盾构始发掘进时,虽然理论计算反扭矩大于实测切削扭矩,但是安全系数较小。提出一种简单有效防止侧翻的措施并应用于实践。由于软黏土的黏滞特性,在刀盘切削扭矩作用下盾构体轻微回转,通过反向调整切削方向可以消除盾构回转角。

类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究。研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度有效率为1,中性轴位于截面上部外缘;随着弯矩进一步增加,环缝逐渐张开,同时中性轴位置逐步下移,等效纵向抗弯刚度减小;纵向等效抗弯刚度有效率随环缝作用区系数增大呈现先迅速下降而后缓慢减小的趋势;螺栓预紧力越大,纵向等效刚度越大,中性轴位置随之上移;随宽高比增大,等效纵向抗弯刚度有效率逐渐下降,中性轴位置随之下移,并在中性轴位置角与小圆弧圆心角相等时出现转折点。

CZ-22型冲击钻机冲击机构的改进

对CZ-22型冲击钻机冲击机构进行改进,用液压油缸代替曲柄,从而实现真正的不停车调节冲击高度,达到降低工人工作强度和增加纯钻进时间,提高钻进效率,降低钻进的成本。

非开挖顶管常用顶力计算方法的对比

通过一个工程实例分析四种常用非开挖项力的计算方法，并与实际顶力作比较，找出理论与实际相差的原因，以确定最佳的计算方法。