Risk identification and risk mitigation during metro station construction by enlarging shield tunnel combined with cut-and-cover method

Constructing a metro station by enlarging shield tunnels combined with a mining/cut-and-cover method provides a new method to solve the contradictions of construction time limits of shield tunnels and stations. As a new-style construction method, there are several specific risks involved in the construction process. Based on the test section of Sanyuanqiao station on Beijing metro line 10, and combined with the existing methods of risk identification at present, including a review of world-wide operational experience of similar projects, the study of generic guidance on hazards associated with the type of work being undertaken, and discussions with qualified and experienced staff from the project team, etc., the specific risks during the construction process of the metro station constructed by enlarging shield tunnels combined with the cut-and-cover method are identified. The results show that the specific risks mainly come from three construction processes which include constructing upper enclosure structures, excavating the soil between shield tunnels and demolishing shield segments. Then relevant risk mitigation measures are put forward. The results can provide references for scheme improvement and a comprehensive risk assessment of the new-style construction method.

盾构始发与接收对工作井围护结构的影响研究

[目的]一般情况下,盾构机均在盾构工作井主体结构施工完成后才进行始发或接收,由于诸多因素的限制,往往需要考虑盾构工作井主体结构尚未施工时进行盾构始发或接收的情况,因此需研究盾构始发与接收对盾构工作井围护结构的影响。[方法]以成都地铁某标准地下三层岛式车站为例,研究盾构工作井在未施作主体内衬结构状态下实现盾构始发与接收时的围护结构受力及变形情况,并分析了盾构始发与接收对围护结构稳定性的影响。[结果及结论]研究结果表明:无内衬状态工作井盾构始发与接收时,围护结构桩体水平位移最大值及弯矩最大值均发生在盾构工作井端墙中跨第4道钢支撑处,围护结构剪力最大值发生在盾构工作井端墙中跨底板处;当盾构工作井未施作主体内衬结构时,围护结构桩体变形及受力均有所增大,但其位移及力学指标均满足规范要求;围护结构在剪力及弯矩作用下能够满足承载能力及强度要求;无内衬状态下的工作井盾构始发与接收可提高施工效率,有效节省工期,节约工程成本。

基于Pathfinder的地铁盾构隧道疏散平台优化研究

为探究地铁盾构隧道疏散平台应对火灾、水灾以及列车区间故障等不同场景人员疏散的合理方案,以疏散地铁6辆B型车定员1460人为目标,建立Pathfinder疏散仿真模型开展研究。先对4种不同疏散平台布置方案的最快疏散时间、疏散完成时间和车厢内人员撤离规律进行研究;再以最优的“四向通行”方案为例,对7种疏散平台宽度的最快疏散时间、疏散完成时间和车厢内人员撤离规律进行研究。研究结果表明:1)车厢内人员撤离分为快速撤离、缓慢撤离和人员清空3个不同特征阶段。从车厢撤离乘客是脱困最重要的环节,时间占整个疏散时间的比例大,需做好乘客撤离车厢的组织引导工作。2)在联络通道处采用“四向通行”结构,可实现疏散平台与道床连通且不中断疏散平台的最优方案。该方案可实现利用道床面在烟气底层疏散以应对火灾工况、疏散平台纵向连通并在高处疏散以应对水灾工况的双重功能。3)疏散平台宽度增加会大幅缩短乘客撤离车厢的时间,对最快疏散的时间影响小,宽度未加宽到1100 mm时对疏散时间无显著影响。4)需做好在联络通道、道床、人防门、防淹门、道岔区疏散平台的顺畅性设计。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

北京地铁盾构隧道渗漏病害成因及对管片结构的影响研究

为揭示城市盾构隧道渗漏病害的形成机制,对北京地铁部分盾构隧道渗漏病害的主要类型、位置及程度进行统计分析。通过现场检测、地质雷达及内窥镜探测等手段,探究盾构隧道渗漏病害机制及成因,并通过数值模拟研究管片接缝渗漏时的地层变形规律及管片结构内力特征。研究表明:1)盾构管片接缝渗漏为主要的盾构隧道渗漏类型,占比超过60%,渗漏发生的位置集中在拱顶,以滴漏为主。2)盾构隧道渗漏水的主要内因是管片接缝处的不均匀变形,主要外因是地下水迅速升高导致存在渗漏隐患的隧道位于水位以下;同时,隧道周边地层更易形成富水体,增大了隧道渗漏病害的发生概率。3)盾构管片接缝处渗漏位置越靠近拱底,渗漏越严重,渗漏附近地层孔隙水压力消散的数值、最终达到稳定时的地表沉降越大。4)接缝局部渗漏导致的管片结构椭圆化变形较小,更易使结构出现向下且倾向渗漏点位方向的偏移;另外,渗漏位置变化相比渗漏程度对管片结构内力的影响大。

有变形缝工况下地铁左右线盾构并行下穿对既有明挖公路隧道变形及应力的影响

[目的]为确保有变形缝工况下地铁盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道工程的顺利实施,须对该工况下既有明挖公路隧道的变形情况及应力特征进行分析。[方法]建立了济南济泺路下穿黄河隧道工程中市域轨道交通S2线左右线盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道的精细化模型,分析了既有明挖公路隧道车道结构底板的z向(竖向)沉降、x向(水平向)位移及车道结构底板的应力变化情况。选取有无变形缝2种工况,对2个施工步完成后测线的x向位移和z向沉降变化情况进行对比。进一步选取工程中的2号变形缝,分析施工过程中2号变形缝两侧的结构沉降差和变形缝的应力状态发展历程。[结果及结论]与无变形缝工况相比,有变形缝工况降低了既有明挖公路隧道结构的整体性,改变了其变形及受力特征;变形缝始终受到拉应力及剪应力的影响;有变形缝工况下,变形缝两侧沉降随地铁盾构掘进呈现出明显的变化,地铁盾构掘进至该变形缝正下方时,沉降达到最大值。

反拉式顶管法施工联络通道对地铁盾构隧道力学性能影响

为探究采用反拉式顶管法施工盾构隧道联络通道过程中主隧道的力学响应机制,依托北京地铁某盾构区间,建立模拟联络通道施工过程的有限元模型,通过与现场监测数据对比验证模型的准确性。继而研究联络通道施工对主隧道管片间错台位移、特殊管片应力及变形、螺栓受力的影响,并分析反力模式对主隧道管片力学特性的影响。结果表明:1)始发管片破除对主隧道力学性能影响较大,随着联络通道进一步开挖,主隧道受力和变形缓慢增大。2)管片间最大错台位移为1.17 mm,发生在特殊管片与普通管片接缝底部。特殊管片最大拉应力为18.6 MPa,出现在开口的顶、底部;最大压应力为27.0 MPa,出现在开口的腰部;最大横向扩张位移和竖向收敛位移分别为2.13 mm和4.56 mm。主隧道管片环间螺栓最大拉应力为213 MPa。3)背推式反力模式更利于控制开口处的横、竖向位移,反拉式反力模式更利于控制开口对面管片应力变形及其接缝处错动位移。

既有交叉隧道和站台下新建地铁盾构隧道施工变形预测模型研究

在地铁建设过程中,盾构施工对既有结构的影响一直是工程施工安全和效率的关键考量因素。文章运用有限元数值模拟方法,研究广州地铁隧道A盾构施工对相邻隧道B、C和站台D的变形影响,旨在揭示新建隧道下穿既有结构时的变形规律,并预测其影响范围。研究结果表明,变形最大值位于施工轴线最近点,随着与施工位置距离的增加而减小,变形主要发生在施工平行经过期间。地表沉降呈对称分布,最大值位于隧道中部,既有隧道连接处的von-Mises应力受新建隧道开挖影响较小,应力峰值随盾构施工推进而移动,但变化幅度有限。现场监测数据与数值模拟结果高度一致,可验证该模拟方法的有效性和可靠性。文章相关研究可为地铁工程施工提供重要参考,有助于优化施工方案,提高工程的安全性和效率。

富水砂层地铁盾构隧道渣土混合改良的流塑性与渗透性

[目的]盾构在富水砂层中掘进时,易产生刀盘扭矩过高、磨损严重以及螺旋运输机喷涌等问题。为了保证施工的安全性,需对渣土进行改良。[方法]以西安地铁16号线某盾构区间工程为依托,根据砂土地层自稳性差、摩擦性高、渗透率高的特点选取渣土改良剂。通过渣土坍落度试验、渗透试验、现场试验相结合的方式,采用泡沫单独改良、泡沫及膨润土泥浆混合改良两种方案开展富水砂层渣土改良试验研究。[结果及结论]实际盾构掘进施工中,在考虑安全、高效、经济的前提下,结合室内试验所得数据,确定采用膨润土泥浆、泡沫混合改良的方案。当膨润土与水质量比为1/8,发泡液质量分数为3%时,改良剂性能满足施工要求;泡沫单独改良渣土受含水率影响大,含水率越高,泡沫最佳注入率越小。中砂的最佳改良方案是BIR(膨润土泥浆注入比)为10%,FIR(泡沫注入率)为20%~25%;砾砂的最佳改良方案是BIR为10%,FIR为35%~40%。工程实践表明,渣土混合改良效果良好,盾构掘进参数平稳。

富水砂层中盾构始发穿越既有地铁线路的结构稳定性研究

[目的]富水砂层地质条件下,新建地铁线路盾构始发穿越既有地铁线路时,对既有地铁线路结构稳定性的研究较为鲜见,需总结类似工程的相关规律。[方法]以新建的郑州地铁7号线黄河迎宾馆站—英才街站区间盾构始发穿越既有地铁2号线结构工程为依托,根据实际工况采用有限元软件MIDAS GTS NX建立了施工区间的三维数值模型,并利用软件的结果提取功能得到了该工程对应模型的模拟结果。选取现场2个监测点位,将2个测点的现场实测值与模拟计算值进行对比,证实了该模型的准确性。在此基础上,进一步研究了盾构始发穿越、一般下穿施工两种穿越方式下对既有地铁线路结构稳定性的影响,以及始发洞门与既有地铁结构间竖向距离d的4个取值对既有地铁线路结构稳定性的影响。[结果及结论]所建三维模型在一定程度上可反映实际工况。在既有地铁线路结构、材料、加固方式等因素均不变的情况下,既有地铁线路结构的稳定性因穿越方式的不同而有所差异,与一般下穿施工相比,采用盾构始发下穿方式时对既有地铁线路结构的影响较小。采用盾构始发下穿方式时,d的取值不同,对既有地铁线路结构稳定性的影响有较大差异。d=2.00 m对既有地铁线路结构的影响较小,工程成本也较小。建议在工程条件允许下采用盾构始发下穿方式,且推荐d值取2.00 m。

地铁盾构下穿古建筑振动监测与保护研究

为确保地铁盾构下穿古建筑物施工安全,确定先评估、先加固、施工监测、后评估、后加固总体技术路线。通过建立古建筑1︰3.52的实体模型并进行振动台试验获取结构阻尼比,利用Ansys进行三维建模,采用结构与模态分析,针对易损结构进行加固预防,为后续振动监测与盾构施工提供参考依据,结合试验区施工监测数据,调整施工参数。结果表明:在静力分析下该结构位移最大值约为14.01 mm,验证了三维模型的有效性。通过模态分析确定结构模型基本频率为0.59046 Hz,最易受损位置为斗枋处。在盾构穿越过程中,古建筑物加速度变化幅度小于0.003 m/s2,振动频带主要集中在0.6~20.5 Hz,振动频带处于正常范围,对古建筑物基本无影响。针对盾构下穿古建筑物提出以“地铁盾构穿越以匀速掘进为主,避免运营高峰期作业,影响区地层之间使用注浆加固,对古建筑物易损结构进行支护,施工时采取隔振减振方案”的总体解决思路,为后续类似工程建设提供参考。

公铁合建双层盾构隧道设计关键技术

为解决公铁合建双层盾构隧道面临的总体布置、结构设计、汽车与地铁车辆联合振动以及通风排烟等技术难题,以武汉长江公铁隧道和济南黄河济泺路隧道工程实践为基础,采用方案综合比选、2.5维数值计算等方法,对公铁合建双层盾构隧道设计关键技术进行系统研究。结果表明:1)通过对隧道平面、纵断面和横断面的合理优化布置,并在废水泵房段、疏散楼梯段采取特殊布置方案,可减少公铁合建盾构隧道地下空间占用,并提高断面利用率,减小盾构隧道外径;2)采用半预制半现浇的管片+非封闭内衬结构型式,能充分发挥内部结构与管片衬砌的联合承载作用,显著减小河床冲淤作用;3)汽车与地铁联合振动作用对隧道影响较小,隧道基底饱和粉细砂地层不会发生液化;4)地铁隧道采用分段纵向烟道,可解决地铁长大区间无风井条件下的排烟难题,同时提高疏散便捷性,并大幅降低建设难度;5)公铁合建隧道在运营管理上不可避免地会出现交叉和影响,建议在管理界面划分和投资分劈上提前研究,便于决策。

高承压水软土地区联络通道盾构法施工对区间盾构隧道影响分析

[目的]盾构法联络通道施工过程中,顶推及切削作用将导致隧道交叉连接处受力显著变化,加剧破洞影响,减弱安全性能。为高效实现施工控制,需对主隧道结构受力特性进行深入研究。[方法]以天津地铁首个盾构法联络通道工程实例为依托,结合有限元软件模拟盾构法联络通道施工过程,分析该工法对主隧道结构受力与变形的影响,并提出相应控制措施。[结果及结论]在联络通道始发阶段,始发隧道受顶推和切削作用,洞口附近管片变形与受力变化显著,洞口对侧拱腰处管片水平位移最大;在接收阶段,接收隧道受切削作用和土体开挖卸荷影响,洞口附近管片内力变化显著,产生偏向联络通道的变形。整体上,受影响范围主要集中在联络通道轴线两侧各约10 m范围内,约3倍联络通道外径。基于此,需关注被顶推及洞口附近等重点位置管片,在保障施工安全的前提下,可优化内支撑体系,通过减少台车撑靴支撑范围至2倍联络通道外径、减小台车钢板厚度或支撑钢管壁厚等方式降低工程造价。

公轨合建盾构隧道振动荷载的动力响应特性

为了探究汽车-列车振动荷载对公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体的动力响应特性,采用有限元软件ABAQUS对某公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体进行数值模拟,通过ABAQUS软件的Dload子程序对汽车、列车振动荷载进行耦合,分别将单一振动荷载及汽车-列车振动荷载作用引入公轨合建盾构隧道,分析公轨合建盾构隧道内部结构及周围土体在不同工况时加速度、位移、应力、应变的变化。结果表明:汽车、列车振动荷载频率不同,共同作用后产生拍频现象,导致相同方向合成荷载的振幅可能小于分荷载的振幅,当频率相同时所合成荷载的振幅最大;管片上方的土体以及非封闭弧形内衬外侧土体发生较大的应变,最大塑性应变发生于拱顶偏右侧,达到7.032×10^(-6);公轨合建盾构隧道内部结构中的预制箱涵牛腿柱、顶板处出现较大拉、压应变,在长期运营期间需要对预制箱涵牛腿柱、顶板位置进行定期检查和必要支护。

地铁盾构下穿高层建筑基础的扰动变形影响与实测研究

[目的]城市轨道交通建设中遇到越来越多的盾构穿越或近接高层建筑施工的案例,而盾构法因其特殊的施工工艺不可避免对地层产生扰动,严重时可能会影响既有建筑的结构安全,因此需要对盾构穿越过程中隧道及高层建筑的受力特性进行深入研究。[方法]依托济南地铁R2号线生产路站—历黄路站区间隧道工程,采用三维有限元数值方法对双线盾构隧道非同步斜交下穿高层建筑群桩及筏板承台基础的施工过程进行了模拟,并结合现场监测数据分析了地层位移规律、建筑物沉降的变形特征,以及施工时盾构掘进参数的控制效果。[结果及结论]双线盾构隧道先后下穿建筑群桩时,先行隧道开挖引起的地面沉降量较大,后开挖隧道对地层产生的扰动相对较小;盾构通过建筑物正下方时的沉降量最大,随着盾构的远离,其沉降逐渐减少并趋于稳定。由于高层建筑属框架结构,故在临近隧道一侧建筑体区域地层发生了沉降,而在远离隧道的建筑体区域地层呈上浮趋势,但二者的差异沉降量仍在可控范围内。

地铁盾构施工过程中底部管片的上浮机制研究

为研究地铁盾构隧道施工过程中底部管片的上浮现象,文章按照管片拼装、千斤顶顶推、同步注浆及注浆浆液凝结4个盾构施工阶段对底部管片的上浮进行分阶段理论分析。通过理论分析可得,底部管片的上浮现象属于局部上浮,对底部管片在同步注浆阶段进行力学分析,主要考虑动态上浮力、环间阻力、粘滞阻力和重力之间的相互协同作用,利用分离变量的方法推导出底部管片的上浮量计算公式,并依托深圳地铁13号线某区间的工程实测数据对管片的上浮量进行计算,验证底部管片上浮量计算公式的科学性。研究表明:底部管片的上浮阶段按其发展状况分为上浮量突增阶段、上浮量缓慢增加阶段和上浮量逐渐稳定阶段。通过控制变量的方法对注浆压力、注浆材料水胶比分别对上浮量的影响进行分析,依据分析结果提出科学有效的上浮控制措施,研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计及安全施工提供一定的技术依据。

运营盾构隧道洞内注浆修复试验研究

[目的]盾构隧道结构发生横截面大变形后,若采用内张钢圈等方法进行加固,会花费大量材料和人工成本。通过二次注浆改善盾构隧道结构受力条件、主动回调变形是更加经济的手段。因此有必要对注浆修复盾构隧道结构横截面变形的有效性、注浆过程中及注浆后的结构响应进行深入研究。[方法]依托武汉地铁盾构隧道进行现场洞内注浆试验,测量、比较了注浆前后隧道的周边地层缺陷、结构裂缝及收敛变形。详细分析了洞内侧向注浆后隧道结构收敛变形、水平平移的时变规律。[结果及结论]试验结果证明了洞内侧向注浆对修复地层缺陷、治理隧道结构裂缝和横截面大变形的有效性;揭示了注浆荷载影响下衬砌环的收敛变形、水平平移的分布规律和时变发展过程。在注浆过程中,注浆点位所在的衬砌环呈现“竖鸭蛋”收敛变形趋势;注浆后2.5 h,受浆液收缩影响,衬砌结构“竖鸭蛋”收敛变形有所回弹,“横鸭蛋”收敛变形趋势进一步发展;注浆后20.0 h左右,隧道结构收敛变形基本稳定。

盾构隧道超近间距下穿运营盾构隧道管片环变形规律研究

为研究盾构下穿既有盾构隧道施工过程中既有隧道管片环分块变形规律,依托北京地铁19号线盾构近距离下穿7号线既有盾构隧道的工程实例,采用FLAC3D软件建立考虑管片分块拼装的三维计算模型,并结合实时监测技术对盾构穿越过程中既有隧道管片环分块变形进行监测。研究结果表明:在盾构近距离下穿既有线施工过程中,既有线管片沉降呈现“双峰式”,且新建隧道先行盾构上方既有隧道管片沉降更大;既有线管片整体向新建隧道掘进方向偏移,管片环分块水平位移程度在不同点位表现出差异化,其中各环两侧管片的水平位移最为明显且互相对称,拱顶和拱底仅发生整体偏移;既有隧道受后行盾构掘进影响时间较先行盾构更长,引起既有线管片向开挖方向偏移量更大,引发的管片水平位移也更加显著。既有线在发生整体偏移的同时,管片向两侧发生水平位移,最终管片水平位移表现取决于管片整体朝下穿隧道掘进方向的偏移量与管片环自身形变的叠加作用。

双洞单线地铁隧道下穿既有隧道工程施工扰动评价方法研究

针对下穿工程中新建地铁隧道与隧道净距有关的施工叠加扰动问题,基于层次分析模型,建立双洞单线地铁隧道(简称“新建隧道”)下穿工程施工扰动评价方法,结合隧道结构的施工力学特性,分析水平净距对隧道间的施工扰动影响规律。依托苏州地铁3号线金东区间下穿既有地铁1号线区间隧道工程,采用数值分析方法分析新建隧道水平净距对施工力学特性的影响规律,并给出了地表沉降与水平净距、既有隧道变形与水平净距的函数拟合关系加以验证。研究表明:(1)既有双线隧道变形曲线由“V”形过渡至“W”形,水平净距超过9D(D为隧道直径)后,新建隧道变形曲线呈双“V”形;(2)当水平净距大于9D后,既有隧道穿越的上方地表变形范围趋于稳定;(3)既有隧道变形随着隧道水平净距的增加而减少,当水平净距达到9D后,其变形范围趋于稳定;(4)新建隧道后行洞施工会引起先行洞的附加变形,当水平净距大于6D后,该附加影响可忽略。(5)随着水平净距的增加,施工扰动逐渐降低并趋于稳定。净距达到3D时,施工扰动程度的变化率最大,确定了下穿既有双线隧道的新建隧道最小水平净距为3D;当新建隧道的水平净距大于7D后,既有双线隧道不存在叠加扰动。

基于深度学习的盾构隧道表观病害自动检测方法

为实现高精度像素级地铁盾构隧道表观多病害检测,提出一种基于深度学习的语义分割模型SU-ResNet++.首先,设计基于残差单元结合注意力机制的编码器SE-ResNet50进行预训练,并将其作为U-Net++的主干网络设计新型神经网络模型;其次,通过原始数据采集、数据预处理及人工标注,构建具有4 500张图片的盾构隧道表观多病害数据集;最后,将所提出的方法通过数据集进行训练、验证和测试,并应用于实际工程检测,实现了高精度像素级的病害语义分割.实验结果表明,所提出的SU-ResNet++算法适用于盾构隧道病害数据检测,可以自动准确地识别病害类别及形态,病害识别精度相比传统语义分割模型有明显提高,并且满足实际工程需求.