类矩形盾构隧道开挖引发土体沉降解析解研究

类矩形盾构隧道施工可能会导致明显的土体沉降,并进一步影响周围既有建筑物的安全。基于Verruijt解和积分法推导得到类矩形盾构隧道开挖作用下的土体响应解析解,并充分考虑土体等量径向收缩、类矩形隧道竖向、水平向以及旋转位移4个变形分量的影响,以全面描述复杂施工或地层情况下类矩形盾构开挖引发的土体位移模式。利用实际工程实测数据验证解析解的有效性,并通过参数分析研究各个变形参数对地表土体沉降的影响。研究结果表明,解析理论计算结果与实测数据较为吻合,可较好地评估类矩形盾构引发的土体沉降,类矩形隧道的水平位移和旋转位移会使地表沉降呈现非对称形态,并会使最大地表沉降增大。

砂土层中类矩形盾构施工对邻近既有隧道造成影响的模型试验研究

为探究砂土层中考虑新建类矩形盾构隧道施工过程中土体的损失和新建隧道与既有盾构隧道不同位置时,新建类矩形盾构隧道对既有隧道的围压、隧道拱底应变和拱顶位移的影响,采用室内模型试验的方法,进行新建类矩形隧道重叠下穿、夹穿和不同隧道间距下正交90°下穿的试验。研究结果表明:1)各种工况下新建类矩形盾构隧道在夹穿既有隧道时对上线既有隧道的影响最大;2)夹穿工况下,新建类矩形盾构隧道开挖到既有隧道下方时,上线既有隧道拱底围压发生突变且数值极大;3)隧道的间距是新建类矩形盾构隧道施工时引起既有盾构隧道围压、拱底应变、拱顶位移等发生改变的重要影响因素,实际施工时应尽可能保持新建隧道与原有盾构隧道的间距足够大;4)新建类矩形盾构隧道下穿既有隧道过程中,既有隧道拱顶存在快速变形的阶段,在实际工程中需要重视这一过程中对隧道拱顶变形速率的控制。

类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度研究

类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度是衡量其力学行为的重要参数,对于构件结构设计、抗弯承载能力验算具有重要作用。为了分析地铁车站纵向抗弯性能及其影响因素,根据等效连续梁的转角计算公式,得出了纵向等效抗弯刚度(EI)eq及纵向等效抗弯刚度有效率η的隐式表达式。通过截面参数分析,探讨了构件长度对中性轴距离c值、等效抗弯刚度有效率η值、截面最大应力的影响;研究了上下圆弧块厚度、曲率半径、圆心角及半短轴长b值对装配式构件截面上的最大应力的影响规律;为了反映装配式车站环缝实际作用范围,引入了环缝影响系数λ,拓展了类矩形装配式衬砌纵向等效连续化模型。研究结果表明:不同构件长度下截面应力分布状态及η值保持不变,且弯矩方向对其影响较小。在弯矩不变的前提下截面最大应力受半短轴长b值影响较大。当顶板块厚度t1处于0.6~2 m范围时,截面最大拉应力随半短轴长b增加而降低6.8%~9.3%;当底板块厚度t3处于0.6~2 m范围时,随着半短轴长b增加,截面最大压应力降低62.5%~63.6%。随着λ由0增加到1,纵向等效抗弯刚度有效率η由1降低到0.05%且变化趋势逐渐降低,与纵向等效连续化模型计算结论一致。本文研究结论对于装配式地铁车站预制构件结构设计及抗弯承载能力验算可提供有效参考。

砂性地层下类矩形盾构机刀盘布置方案研究

类矩形盾构机的切削断面形状并非中心回转对称,如何根据不同的地质条件选择适合的刀盘布置方案是类矩形盾构机研制的难点。依托杭州市轨道交通四季青站工程项目,对比在黏土地层与砂性地层2种施工条件下,类矩形盾构机的施工参数,发现盾构机在砂性地层中所受的推力、扭矩均较大,且存在较大冲击。原偏心多轴驱动仿形刀盘的结构形式,无法满足砂性地层中的施工工况。针对性地研究设计1种刀盘布置方案,采用2个X形大刀盘+2个可伸缩式圆形辅刀盘的组合切削形式,并增加带伸缩功能的辅刀盘驱动、切削盲区处壳体结构、土体改良等关键功能。该刀盘布置方案的研究与实践对提高类矩形盾构机的地层适应性有着重要意义。

超大类矩形断面复合顶管施工力学性能研究

依托上海轨道交通14号线静安寺站工程,介绍了超大类矩形断面钢-混凝土复合顶管的结构构造、加工制作与施工监测方案,重点分析应力监测数据并结合数模结果揭示了管节在顶进及后续施工中的受力性能,以此来研究大埋深软土地层中新型超大断面顶管的施工力学特性.结果表明:对于顶管中的任一管节,钢板与纵向肋板的应力在该管节顶进初期与全钢管顶推完成时出现较大波动,而中间段基本稳定在某一数值,且钢板轴向受力相比环向受力对管节纠偏更敏感;同一顶管不同管节在施工过程中的应力和位移分布一致:应力分布较为均匀,峰值应力位于顶推面拐角附近;变形趋势为竖向内凹、横向小幅外凸,峰值形变位于竖向跨中;管节峰值应力随顶管推进逐步增大,但均未超过弹性极限,峰值形变保持稳定;钢板的环向应力由水土压力控制,应力分布为上部受拉、左右受压,轴向应力由顶推力控制,其中竖直方向上的轴向应力也受管节竖向偏转和外壁环向荷载的影响;纵向肋板的轴向应力在水平方向上由顶推力控制,在竖直方向上由外壁环向荷载控制;后续施工过程中,顶管受力相对稳定.影响范围方面:注浆加固对钢板和纵向肋板的受力均有较大影响;管节环向焊接主要对钢板的环向与轴向受力有较大影响;钢筋绑扎和混凝土浇筑仅对钢板的环向受力有较大影响.

列车阻塞下类矩形隧道烟流特性研究

为研究类矩形隧道中地铁列车阻塞情况下的烟气运动特性,利用FDS软件,分析有、无列车两种工况下类矩形隧道中烟气蔓延、温度分布以及临界风速的变化规律。结果表明,无列车堵塞时,火源与隧道顶棚间距较大,空间高度对火焰燃烧的抑制效果不明显,出现受浮力影响的羽流;有列车堵塞时,受车厢顶棚阻挡会出现双侧线性羽流。无列车堵塞时,烟气温度最大值位于火源上方,火源两侧依次降低;有列车堵塞时,高温区始终位于隧道顶棚两侧,且隧道顶棚左侧由于存在弧形结构,温度稍高于右侧。当热释放速率不大于7.5 MW时,临界风速与其呈正相关;当热释放速率大于7.5 MW时,临界风速受热释放速率的影响逐渐变小;临界风速会随着阻塞比增大而减小。因此,精准探测列车停靠位置,优化通风排烟方式,可达到最佳的效果。

类矩形盾构施工风险评价与控制研究

类矩形盾构法施工风险具有模糊性和不确定性,风险评价易受评价者主观影响。针对类矩形盾构法施工风险特点,本文以郑州地铁八号线类矩形盾构法区间施工为实际案例,构建了AHP-熵权法-非线性模糊综合评价模型,并依据4M1E原理进行风险识别,建立风险评价指标体系,然后采用层次分析法和熵权法的组合赋权计算权重,最后结合隶属度理论进行了非线性模糊综合评判。结果显示该项目施工风险较高,其中人员风险和环境风险影响最大,与实际工程较为符合。

煤矿巷道类矩形全断面掘进机切割机构设计及仿真分析

为解决我国煤矿巷道领域类矩形隧道全断面一次掘进成型及快速掘进难题,针对宽6 m、高4.2 m的类矩形隧道,开展全断面掘进机切割机构研究。通过分析多种隧道成型技术方案特点,确定了一种由左右三臂刀盘和上下截割滚筒组成的切割机构技术方案;结合煤矿巷道实际需求,设计了类矩形隧道成型形状;开发设计了刀盘、截割滚筒结构,进行了截齿选用、布置;采用Solid-Works软件分别建立了三臂刀盘和截割滚筒三维模型,利用ANSYS软件分别对三臂刀盘和截割滚筒做了模态分析和静力学分析。结果表明:1)采用圆形刀盘与截割滚筒组合式切割机构,能够实现全断面类矩形隧道的掘进成型;2)切割机构能够满足强度及刚度的要求且不会发生共振现象;3)实际煤矿巷道掘进应用表明,切割机构具有较高的掘进效率,在煤矿巷道类矩形隧道领域具有较好的应用前景。

类矩形隧道对地下水侧向径流阻碍影响分析

为研究地铁区间隧道对地下水侧向径流的阻碍作用,文章依托武汉某地铁项目,通过有限元软件对地铁隧道及周围区域进行数值模拟,以单位时间内的流量为指标,分析了不同隧道形式对地下水径流的影响。结果表明,在模拟范围内,单峒双线式隧道会对地下水径流产生13.38%的阻碍影响,相较于双洞单线式隧道的18.53%,单位时间内可减少100.22m3的流量削减,在实际工程中可优先选择单峒双线式隧道。研究结果可为武汉地区海绵城市的建设提供借鉴和参考。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构设计及参数研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道适用于渡线段的应用,施工过程中施作立柱,在稳定阶段拆除立柱以达到最终运营稳定状态,全过程中存在结构受力机制的变化。为了形成适用于类矩形无立柱隧道结构的设计方法并探究不同参数的影响,有必要开展相关理论研究。方法:明确了类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构在施工、运营全过程所受荷载状态;基于修正惯用法(等效刚度均质环模型)建立设计模型,探究了施工全过程及直接施加运营工况荷载2种不同工况下的结构响应,并与足尺试验结果进行了对比验证。基于设计模型,对侧压力系数、偏载值、结构埋深等多个关键因素开展了敏感性研究,分析了对衬砌结构受力及变形的影响。结果及结论:采用修正惯用法并直接施加最终运营阶段稳定荷载能满足类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的工程设计要求,但需要将设计值放大5%~10%,该结论也得到了足尺试验的支持。不同设计参数对结构响应的影响程度不同,其中单侧偏载和结构埋深对于设计的影响更大,同时进一步揭示了腰部负弯矩接头的薄弱特征。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构力学性能模型研究

目的:类矩形无立柱盾构隧道结构能适用于隧道渡线段,但缺乏该新型结构的针对性力学性能分析模型,故有必要对此开展研究。方法:基于无立柱盾构隧道原型结构试验结果,初步分析了钢结构管片在设计运营工况下的整体变形及位移特征。进一步采用等效刚度均质环模型和梁-弹簧模型对结构的受荷响应进行了模拟,其中梁-弹簧模型的计算参数通过接头足尺试验来标定。将2种模型的计算结果与足尺试验结果进行对比,分析了不同模型的优劣,给出了不同模型的适用范围。最后,结合力法原理和2种计算分析模型对类矩形无立柱衬砌结构的变形机理进行了分析,探究钢结构管片不同部分的变形贡献。结果及结论:等效刚度均质环模型及梁-弹簧模型均可用于类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的计算分析,其中梁-弹簧模型对于钢结构管片力学性能的模拟更加精确,尤其是在变形方面;等效刚度均质环模型对于钢结构管片响应的模拟精度稍差,但是用于结构设计仍然能保证足够的安全储备。针对结构变形机理的分析表明,类矩形无立柱盾构隧道结构的收敛变形主要来源于管片本体及接头两部分,其中接头变形约其占2/3。

类矩形盾构穿越既有隧道引起土体沉降的模型试验研究

类矩形盾构邻近既有隧道施工的土体变形控制是今后隧道工程要面对的难题,但目前该方面的研究较少。通过开展室内缩尺寸模型试验模拟类矩形盾构邻近既有隧道施工,探究了新旧隧道不同间距以及正交、斜交、重叠、夹穿等工况下由于土体损失导致的地表和深层土体纵向变形情况;对Peck公式进行了拓展,将无既有隧道沉降值与既有隧道造成土体二次扰动沉降值叠加得到适用于类矩形盾构穿越既有隧道的地表沉降计算方法。研究结果表明:随着新建隧道的施工,地表沉降逐渐增大,最后趋于稳定;地表沉降与深层土体沉降趋势基本一致,深层土体沉降值大于地表沉降;相比正交、斜交工况,重叠工况对地表沉降影响最大,其最大沉降值比其余2组最大沉降值大1倍;斜交工况与正交工况地表沉降最大值基本相同,但斜交工况沉降槽形状为W形,正交为V形,斜交工况沉降槽宽度大于正交工况,说明对土体的影响范围更大;重叠工况由于隧道自重造成的地表沉降的效果远比遮拦效应大;对比并择优了能够计算类矩形盾构施工造成的沉降槽宽度的方法,理论计算结果与实测数据基本吻合;Peck公式适用于既有隧道造成土体二次扰动的地表沉降计算。

基于2.5维有限元的类矩形隧道振动响应研究

近年来,地铁列车运行引起的周围环境的振动是热门课题,但是列车荷载移动下的动力响应问题十分复杂。在案例中,应尽可能地贴近实际工程,迅速、精确地计算预测地基与地铁隧道的振动变形。本文把2.5维有限元法从理论研究运用到宁波轨道交通三号线类矩形隧道振动分析中,建立了2.5维实际轨道模型的有限元模型,并赋以实际动力学参数,分析了在类矩形地铁运行荷载下,地基及其轨道的振动受地铁隧道的埋设深度、地铁行车速度、地基土层性质等重要因素的影响。列车行驶时,地表的振动强度随着隧道的埋深的减小而增大,振动强度在x=0时达到最大;在不同的土体剪切波速下,振动衰减情况趋于一致,在x=0的情况下振动强度最大;列车运行时引起的振动强度随着列车行驶速度的增加而增大,且在x=0时,其引起的振动强度的差值达到最大。地表振动的强度随隧道埋深变浅、列车运行速度增大、土体剪切波速减小而增大,且远场区域内的振动水平已经衰减到安全水平,只需在地铁线路附近区域内采取一定的地面减振控制措施。

类矩形盾构下穿施工引起邻近隧道变形研究

基于镜像法和Mindlin解,考虑土体损失、刀盘推力、盾壳摩擦力和注浆压力的影响,推导出类矩形盾构隧道施工在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式,将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,结合最小势能原理推导出既有隧道竖向位移计算公式。依据工程实例构建数值计算模型,对比本文计算结果和数值模拟结果,验证本文计算方法的适用性。研究结果表明:本文计算方法的结果与数值模拟结果吻合程度高,验证了本文计算方法的正确性;随着类矩形盾构隧道掘进,邻近隧道的纵向位移、环间剪切量和剪切力不断增大,在盾构机通过邻近隧道轴线20 m后趋于稳定;邻近隧道沉降变形最大处的环间剪切量和剪切力最小,沉降变形曲线反弯点处的环间剪切量和剪切力最大。

类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构受力性能足尺试验

目的:类矩形无立柱盾构隧道相比于典型双跨类矩形盾构隧道取消了立柱,因此,亟需探明其结构力学性能、设计关键点和受力薄弱点等情况,以保证施工结构的安全性。方法:基于关键截面内力及变形等效方法设计了试验荷载及对应加载制度,模拟了隧道结构在实际运营工况下的结构受荷状态。试验过程中对结构整体及局部的变形、内力等响应进行了监测,重点分析了结构整体变形、接头变形和螺栓轴力发展过程,并提炼出结构运营阶段力学响应的一般性特征。结果及结论:完成了类矩形盾构隧道无立柱衬砌结构的设计并开发了配套的原型结构试验平台;隧道结构的长短轴收敛变形绝对值之比在2.22左右,说明该结构整体性尚有优化空间;隧道结构的薄弱点在顶底靠近跨中位置的1、5号正弯矩接头和靠近左右侧腰部的3、8号负弯矩接头;结构薄弱部位变形和内力随外荷载上升发展均较快,需要在设计优化及施工运维时给予重点关注。

地铁车站标准化断面人行通道类矩形顶管机的针对性设计与施工技术——以上海轨道交通14号线静安寺站工程为例

为实现城市核心区地下交通线网人行通道的绿色高效建造,探讨将现有断面形式多样、施工工艺繁杂的地下人行通道建造技术标准化、规范化的可行性,依托国内首个软土地区大断面矩形顶管法暗挖车站——上海轨道交通14号线静安寺站工程,在确定其站厅层人行通道断面形式设计的前提下,针对性地研制全断面类矩形隧道掘进机。详细介绍适应此种断面隧道开挖的类矩形顶管掘进机的切削系统、壳体系统、纠偏中继间系统、主顶进系统、驱动系统、螺旋机出土系统等主要系统的针对性设计;开发与此装备相适应的施工工艺,研究其进出洞地基加固、洞门止水、施工参数控制、管节减摩泥浆及控制施工工艺、土体改良等主要施工控制措施。现场实测变形数据分析表明:隧道轴线要求控制在±50 mm,地表沉降控制在-15.49~5.03 mm,满足工程要求,为城市轨道交通建设中实现全断面机械法开挖人行通道提供了一种标准化的解决方案。

类矩形盾构隧道施工测控技术研究

本文分析了类矩形盾构隧道的特点,与传统的圆形盾构隧道进行了对比分析,优化了类矩形盾构隧道施工测量方法,引进了三维激光扫描技术进行断面测量,解决了普通断面扫描技术无法准确提取单侧隧道中心的问题,成功完成了类矩形盾构隧道断面的测量提取工作。

超浅覆土工况下类矩形盾构法在宁波轨道交通4号线出入段线施工中的应用

类矩形盾构法因其具有对周边环境影响小、空间利用率高等优势,已在宁波轨道交通中多次应用。该施工方法在出入段线的施工中效果尤为显著。依托宁波轨道交通4号线东钱湖车辆段出入段线施工项目,提出了超浅覆土工况下类矩形盾构隧道的设计及施工方案。对原设计方案及2个施工优化方案进行对比,方案二(417 m类矩形盾构掘进+其余区段明挖)在技术性及经济性上均具有显著优势。为了确保方案二的盾构施工安全及隧道永久抗浮,采取了抗浮板技术。现场施工监测数据表明:抗浮板在超浅覆土工况下类矩形盾构隧道掘进过程中的抗浮控制效果显著。

类矩形盾构土体切削光滑粒子数值模拟分析及土体改良研究

类矩形盾构作为近几年较为新颖的隧道施工设备,其兼备了矩形盾构和双圆形盾构的优点,成功解决了华东软土地区的各类施工问题。但是由于盾构在地下进行开挖,其刀盘切削会对土体造成一定的扰动。类矩形盾构使用的土压平衡式盾构,对开挖面的稳定性要求较高,因此需要针对刀盘对土体的扰动规律进行研究。通过使用光滑粒子流体动力学方法模拟了类矩形盾构在地下的扰动,并针对类矩形盾构施工土体改良进行了研究。通过研究可以得出如下结论:轴线附近的土体不易切削;土体颗粒的运动情况主要受刀盘切削转速影响;土体改良的关键在于压力舱中的土体处于良好的塑性流动状态,可以加入泡沫改良剂或高分子抗黏土聚合物进行土体改良。

类矩形盾构掘进效能实测分析

地铁隧道常采用盾构法施工,其中又以圆形盾构为主。为研究类矩形盾构施工过程中掘进参数及效能,依托杭州地铁某类矩形盾构掘进施工案例,对比类似地层条件下小直径圆形盾构,分析两者主要盾构掘进参数的变化规律,并引入掘进效能和掘进比能的概念,根据效能、比能公式,计算得出两者掘进效能和掘进比能。得出类矩形盾构总推力约为小直径圆形盾构的两倍,刀盘扭矩和刀盘转速均小于小直径圆形盾构,且类矩形盾构刀盘扭矩具有较大的波动性,推进速度一般控制在10mm/min;类矩形盾构推进功耗一般在5~10kW之间,单个刀盘切削功耗一般在100~400kW之间;推力推进做功贡献的掘进比能在数值上远小于刀盘驱动做功贡献的掘进比能。