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”。

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显锯齿状突变;抗弯系数与剪切系数的增长均导致隧道结构所受弯矩降低;剪切系数由低到高的增长将导致隧道变形模式发生“弯曲控制-弯剪混合-剪切控制”三阶段变化;隧道变形模式进入“剪切控制”阶段的过程中,抗弯刚度的变化对隧道内力影响逐渐降低;接头系数的增长将造成隧道所受弯矩降低,但隧道抗弯刚度较大时其影响逐渐减弱。

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。

水下高速公路盾构隧道联络通道冻结施工模拟分析

公路盾构隧道联络通道建设面临较大的不确定性和风险,通常采用人工地层冻结法进行施工。以孟加拉吉大港卡纳普里河底盾构隧道联络通道为研究对象,分析联络通道施工过程中冻土帷幕和结构衬砌受力情况,研究采用双圈管冻结施工过程中冻土帷幕发展规律。针对施工期和运营期衬砌受力的最不利工况进行验算,分析积极冻结和维护冻结阶段温度场的变化,并研究部分不确定参数的敏感性。分析结果表明,该联络通道设计施工方案合理可行。

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。

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.

饱和土地区不同直径盾构穿越既有隧道的理论研究

随着城市地铁隧道空间断面的多元化发展,既有隧道不可避免地面临不同直径盾构穿越的巨大风险。基于半无限饱和土初值解,考虑盾构机直径与类型,提出开挖面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力等施工参数的修正计算方法,推导出饱和软土地区不同直径盾构穿越引起既有隧道竖向变形的计算公式。研究结果表明:相较于已有文献中计算方法,本文计算方法在预测饱和土大直径盾构穿越引起的既有隧道变形时更有优势。盾构斜穿既有隧道时纵向沉降槽会发生偏移,变形在盾构离开隧道轴线4.5倍盾构机长度后趋于稳定。不同类型盾构机开挖面稳定原理的差异性是影响计算结果的关键因素,考虑泥浆重度分布的开挖面附加推力比考虑挤土效应的开挖面附加推力对盾构直径变化更为敏感。

基于正交试验的盾构掘进江底变形分析与施工方案优化

盾构隧道的施工易引发开挖面上层土体松动塌陷,造成邻近建筑物沉降破坏。针对盾构隧道施工地层变形的问题,依托南京建宁西路过江通道工程,建立有限元模型模拟盾构隧道开挖过程,探究盾构掘进对河床沉降、深层土体水平及竖向位移等影响。以河床表面最大沉降、沉降影响范围、拱顶竖向位移、隧底隆起为指标,支护应力比、埋径比、盾尾注浆压力、泥浆相对密度等为影响因素安排L16(45)正交试验,分析各个影响因素的显著性及主次顺序,结果表明支护应力比和泥浆相对密度对各项指标影响程度较小,可采取最经济水平。由此得到最优水平组合为A_(4)B_(1)C_(4)D_(3)和A_(4)B_(2)C_(4)D_(3),并设计优化追加试验,追加试验方案1减小了埋径比,增加了盾尾注浆压力,结果表明其对地层变形的控制效果更好,为优选方案。

国道G228线汕头湾跨海隧道总体设计方案研究

汕头湾跨海隧道作为国道G228汕头段控制性工程,总体设计难度大。为了科学、安全、经济地建设汕头湾跨海隧道,结合两岸城市规划、工程建设环境和环境敏感点等控制因素,采用工程类比、数值计算、模型分析等理论研究方法,对跨海隧道选址、接线、埋深、断面布置、通风及防灾救援等关键问题进行研究和专题论证,得出如下主要结论:1)跨海隧道选址及接线应以城市规划为基础,结合交通特性、路网结构、沿线用地等因素综合确定,是控制风险、降低投资和保障交通功能的关键;2)结合海床演变模型冲刷包络线,盾构段最小覆土不仅要满足掘进及运营期抗浮安全,还要尽量避免长距离穿越上软下硬地层;3)跨海段采用分段纵向+重点排烟的通风方案,解决长距离跨海隧道通风难题;4)盾构段采用人行滑梯或楼梯逃生的纵向疏散模式,明挖段采用横向疏散模式,可保障高地震烈度区跨海隧道的防灾疏散。

基于激光扫描点云的盾构隧道结构横截面变形提取方法研究

目前工程与研究从点云中提取的横截面变形指标仍以收敛变形为主,难以反映接头作用下盾构隧道结构“分段连续”的变形特征。为从点云中充分挖掘盾构隧道横截面变形特征,提出从三维点云提取位移场并通过位移场表征盾构隧道结构横截面变形的方法。该方法以接头为界对盾构隧道每块管片的轮廓分别在极坐标系使用傅里叶函数拟合,对各期点云拟合后的曲线按相同密度划分网格,并将网格节点处的坐标相减,求得衬砌结构各管片位移场。通过整环足尺试验与数值模拟,分别验证该方法提取径向、切向变形的可靠性。通过理论分析与数值试验,讨论该方法应用过程中拟合函数、测量误差、参考系选取等关键因素对变形提取结果的影响。结果表明:1)用于拟合的傅里叶函数阶数越高,拟合管片轮廓越精细。2)在测距误差作用下,使用高阶数的傅里叶函数易产生过拟合现象,增加变形提取误差。3)通过工程示范展示该方法在实际盾构隧道工程中的应用效果,证明了其用于实际工程的可行性。

双线盾构隧道开挖对临近桥桩的影响规律研究

为了研究盾构隧道近距侧穿既有桥桩产生的影响,基于呼和浩特地铁1号线侧穿鼓楼立交桥桩工程实例,借助ABAQUS进行数值建模,采用Mohr-Coulomb弹塑性理论,对桩长、桩径、隧道埋深和桩顶荷载等影响因素进行了对比分析。结果表明:在隧道开挖土体扰动的影响下,随着桩长、桩径和桩顶荷载的增加,3根桩的水平位移都逐渐降低,Ⅰ号桩和Ⅲ号桩的桩身弯矩都逐渐增加;因Ⅱ号桩位于双线隧道之间,在开挖过程中桩身弯矩受到左右两线隧道开挖产生的叠加效应而相互抵消,使其桩身弯矩不呈规律性变化;随着隧道埋深的增加,3根桩的水平位移均未产生规律性变化,但桩身弯矩显著增加,且桩身弯矩最大值位于隧道埋深范围内;当隧道埋深较浅时,其开挖影响范围较小,对临近桩的影响也较小;注浆加固可有效控制隧道开挖过程中桩基的水平位移和地面沉降,但桩基水平位移的控制效果随着盾构隧道与桩基间净距的减小而逐渐降低。

交叠隧道引起地表及既有隧道变形规律分析

为了研究新建盾构隧道上穿既有隧道引起的地表沉降和隧道变形规律,以武汉轨道交通5号线一期工程施工为背景,利用FLAC3D软件进行了数值模拟,分析了新建左线隧道上跨施工对下卧左线和上跨右线隧道及地表土体变形的影响,并与现场实测结果进行了对比分析。结果表明:新建盾构隧道上穿对既有隧道水平变形的影响较小,需重点关注既有隧道竖向变形和盾构区变形监控工作;随着新建隧道掌子面推进,既有隧道距离掌子面越近处变形速率越大;开挖引起的隧道外地表沉降符合正常开挖沉降规律,即离隧道中心点越近,地表沉降量越大,开挖至中部时地表变形速率较快,接近稳定阶段开挖时地表变形速率较慢;交叠段开挖完成后地表沉降数值模拟结果与实际盾构施工现场地表监测数据之间的误差最大仅为4.32 mm,在误差允许范围内。研究结果对同类工程应用具有一定的指导价值,能为类似工况下的工程施工提供参考。

软弱局部透水地层注浆止水盾尾刷更换技术

在城市轨道交通建设中,由于长距离、小半径盾构掘进情况越来越多,导致盾尾刷因长时间受力或受力不均而磨损,降低或失去密封性,需对其及时进行更换。本研究以苏州轨道交通8号线虎殿路站—虎丘湿地公园站出入场线区间更换盾尾刷为背景,基于盾尾刷更换各种止水方式比选分析,结合该工程位于软弱局部透水地层特点,提出并实施了一种多方式注浆止水的盾尾刷更换方法。即在软弱局部透水地层中,通过在盾尾注入聚氨酯、惰性浆液、双浆液,以及通过盾体径向注入惰性浆液,对盾尾前后地下水进行有效封堵,再通过拆卸一环管片进行第一道盾尾刷的拆卸与更换,更换期间实测表明地表累积沉降与日沉降均满足控制要求,注浆加固后打开观测孔止水效果良好,仅耗时14 d便恢复掘进。本研究提出的软弱局部透水地层注浆止水的盾尾刷更换成套工艺与方法取得很好的实施效果,可为今后类似工程提供参考。

跨模态特征融合模板驱动的盾构隧道管片孔缝智能识别

基于点云的隧道数据处理方法已逐步替代人工用于盾构管片接缝识别中。但常规点云处理算法提取螺栓孔和接缝时会存在因附属设施遮挡造成错误识别的问题,导致目标识别精度降低。针对此问题,以广州2003年开通的某地铁线路某段地铁隧道数据为例,提出一种跨模态特征融合模板驱动的盾构隧道孔缝识别方法。首先将隧道断面点云的几何中心作为视点,以扫描测线为单元进行逐测线投影生成隧道二维图像;然后通过Canny边缘检测和Hough变换缓冲识别纵缝,对二维图像进行环片分割,并基于双模板匹配实现盾构环分类,依据环片模板进行螺栓孔和横缝的粗定位;最后利用螺栓孔点云DBSCAN聚类后的中心坐标对环片模板进行精校正,实现盾构隧道管片孔缝智能识别。研究结果表明:该方法在附属设施遮挡干扰等情况下能较好地实现孔缝精确识别。其中,设计的基于局部形态特征双模版驱动的盾构环片分类方法,可实现盾构环片的精确分类;设计的顾及盾构管片空间位置关系的孔缝识别方法,可有效提升孔缝识别精度。在识别率与耗时相近的情况下,本方法比同类方法识别精度更高,平均偏差更少,具有更好的准确性和鲁棒性。该方法将盾构隧道三维点云和二维点云投影图像进行数据特征融合的同时,能够顾及局部形态特征凭借双模板实现盾构环片的精确分类以及依据盾构管片的空间位置关系进一步提高孔缝识别精度。研究结果为进一步自动化精准识别盾构隧道接缝和螺栓孔目标信息提供参考。

地铁盾构下穿既有车站直接磨桩技术研究

在城市中心修建盾构隧道过程中,经常遇到无法避让桩基的情况。传统拔除围护桩的处理方法存在对周围环境影响大、成本高、工期长、严重影响城市交通等问题。论文案例工程分析了地铁盾构下穿既有车站的施工难点,利用盾构机的切削能力,在盾构区间直接破除并穿越桩基,详细介绍了盾构机磨桩施工过程,采用MIDAS GTS有限元模拟分析,将对高度城市化地区的影响降到最低,同上,极大地降低了施工成本,提高了隧道路线选择的灵活性。

复合地层双线盾构隧道下穿施工既有隧道沉降规律及加固方案研究

运营地铁区间隧道轨道沉降控制严格,新隧道下穿施工可能会导致既有隧道发生沉降,而在复合地层中,这种沉降更为明显,因此,加固方案的选取对控制既有隧道沉降尤为关键。该文依托某盾构下穿隧道工程,采用数值模拟方法对复合地层盾构下穿施工导致的既有隧道变形规律及加固方案进行了研究。结果表明:1)新建盾构下穿施工后,既有盾构隧道纵向呈现出“W”型沉降曲线,新建隧道与既有隧道平面交叉点处沉降值最大;2)采取设计的加固措施后,随着加固措施的增强,既有盾构隧道沉降曲线形态由“W”型向“U”型渐变,最大沉降量减小;3)当加固新建隧道拱180°范围及径向2.7 m范围土层时,既有隧道沉降满足控制标准要求,在类似工程条件下,建议采用上述加固方案。

顶管法施工对邻近地铁盾构隧道的安全影响研究

无锡某泵站工程采用顶管法施工,顶管近距离跨越运营地铁隧道。为保证运营地铁隧道结构安全,施工前采用有限元分析软件PLAXIS 2D和PLAXIS 3D模拟施工过程,预测了顶管法施工对隧道变形的影响,同时在施工期开展了全过程的安全监测。基于模拟结果和实测数据对比分析,得出以下结论:隧道变形均满足规范中对隧道结构变形的控制要求;数值分析结果与实测结果变形规律基本一致,顶管施工引起下方地铁盾构隧道的竖向变形表现为隧道隆起,水平变形相对较小,隧道收敛表现为横向压缩、竖向拉伸;顶管穿越施工引起下方盾构隧道上浮和轮廓收敛变形,隧道最大变形均发生在顶部,施工过程中应加强对隧道顶部上浮和轮廓收敛的监测工作。顶管法施工上跨地铁运营隧道的影响结果可为类似工程安全控制提供一定参考。

电力盾构隧道近距离侧穿既有桥梁数值模拟分析

以某电力盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,得到隧道近距离变曲线侧穿时桥面和桥梁桩基位移、应力等变化规律,分析隧道侧穿的影响。研究结果表明,隧道侧穿过程中桥面和桥梁桩基水平和竖向位移均逐渐增大,且隧道侧穿阶段引起的位移较大,后期位移逐渐趋于稳定;盾构隧道开挖掘进造成桥梁下部围岩地层损失,靠近隧道侧土体发生非对称偏转,导致桥面整体发生不均匀竖向位移并向靠近隧道侧偏移。当盾构隧道近距离侧穿时,应选取合理的盾构掘进参数,以减小对桥面和桥梁桩基的扰动。

盾构隧道衬砌缺损移动扫描检测方法研究

研究目的:衬砌缺损病害状况是盾构隧道健康状态评估的重要参考依据。传统人工巡检方法受环境和人为因素影响大、检测效率低且易发生漏检。车载移动扫描技术已在隧道收敛和错台等结构病害检测中得到应用,本文充分发挥其“多方面应用”的特点,研究利用该技术获取的三维激光点云准确、快速地检测隧道衬砌缺损病害的方法,用以辅助运维管理部门及时掌握相关信息开展修缮工作。研究结论:(1)对盾构隧道激光点云采用圆柱模型建立投影关系可实现三维点云向二维图像的跨模态转换,有效提升数据处理效率;(2)将点云的位置信息和深度信息融合创建深度图像,能够突出衬砌缺损区域的视觉对比度,从而快速判识衬砌缺损病害;(3)经工程实例验证,本研究成果的检测准确率高于传统人工巡检方法,可应用于盾构隧道表观病害检测领域。

浅埋超大直径盾构近穿既有高架桩基的影响

上海北横通道工程Ⅷ标段为15.5 m超大直径盾构隧道,区间在出洞后仅54 m即近距离侧穿内环高架,最小覆土埋深比为0.5,距离桥墩桩基最近仅3.9 m。施工过程中既有桩基、地层和盾构穿越表现出显著的相互作用影响。开展了盾构施工影响区范围内的地表沉降和桥墩桩基的位移监测,并基于实测结果对盾构开挖过程的三维精细化数值分析结果进行对比验证。结果表明:数值结果与实测数据吻合良好,均反映了在浅埋超大直径盾构出洞后即穿既有高架桥梁桩基下,在横断面上表现为地表中间沉降,两侧显著隆起的特点,其中部分隆起量在开挖完成后由于卸载恢复;侧穿高架过程中表现出显著的隧-土-桩相互作用:既有桩基对盾构开挖引起的地层变形存在钳制作用,导致沉降槽两侧表现为非对称隆起,地层变形同时也协同带动既有桩基的竖向隆起;在开挖的纵向响应上,沉降区间受到两侧工作井与桩基约束而扩展有限;侧穿引起桩身发生背向隧道最大值超过3 mm的水平侧向屈曲位移,同时在单桩中产生最大达到150 kN的附加轴力。