不同基坑开挖卸荷方案对既有地铁隧道结构的影响研究

随着城市建设不断推进,地下工程进入快速发展时期,基坑工程对下方既有结构的影响不可忽略。基于此,文章以某换乘地铁站项目上方基坑开挖为例,通过FLAC3D数值模拟软件,分析既有隧道结构上方基坑在一次性开挖、分区开挖、跳挖方案下隧道洞顶结构的变形状态。分析结果表明,无论是否考虑反压作用,3种方案下洞顶结构竖向最大变形排序均为:一次性开挖方案>分区开挖方案>跳挖方案,跳挖方案相较于一次性开挖方案和分区开挖方案隧道洞顶最大位移分别减少了48.6%、38.3%,可有效降低基坑开挖变形量。相关研究可为此类工程施工方案选择提供参考和借鉴。

时速120 km地铁快线空气动力学试验研究

为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试。实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite压力传感器,通过测量列车外部和内部的瞬态压力变化,分析全线路车外压力波动特性,对比沿列车长度方向不同测点位置的压力变化幅值,并分析不同空调状态下的车内压力舒适性。经过3次实验测试分析,该实验的结果具有可重复性。研究结果表明:全线路运行时,列车在隧道段内加减速导致车外压力变化幅值明显大于高架段,气动效应最恶劣的位置为地下段人防门变截面处,列车上行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为1 071 Pa,下行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为905 Pa;相对于下行线全线路,上行线车外任意3 s内压力变化幅值大18.3%;列车正线运营时压力波保护阀会在压力变化剧烈区段进行动作响应,列车上行时,空调开启、压力波保护阀正常启用状态下,车内任意3 s内压力变化幅值相对于压力波保护阀打开未启用时减少了16%,下行时,减少了28%,空调压力波保护阀能够有效降低车外压力波动对车内气压变化的影响。本文研究成果可为快速地铁线路设计、地铁列车运营及地铁气密性优化提供参考依据。

隧道轮廓激光雷达点云线特征共面约束标定方法

地铁隧道断面轮廓参数测量过程中,需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境,对标定模板要求高,标定过程复杂,检测精度影响大。针对此问题,本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法,并基于双激光雷达测量系统,进行了算法研究。本方法设计了专用的手推行便携式标定系统,利用由点云数据提取的标定板线特征,建立目标函数,通过混合了遗传算法和Levenberg-Marquardt算法的非线性优化方法,寻找全局最优解从而实现对激光雷达的标定。实验结果表明:本方法对于两侧钢轨顶轨的标定误差在±1.5 mm以内;静态测量精度X误差在±1 mm内、Y误差在±4 mm内;当采集系统以5 km/h的速度进行数据采集时,动态测量精度X误差在±4 mm内、Y误差在±6 mm内。本方法能够实现激光雷达的高精度标定,算法鲁棒性强,具有易操作、环境适应性强的特点。

成都地区卵石地层深基坑开挖的土压力计算方法

[目的]现有土压力理论计算方法未考虑卵石地层孔隙度大、结构松散等离散性特点,计算结果与实际土压力有所偏差,需要研究适用于成都地区卵石地层的土压力计算方法。[方法]以成都轨道交通7号线为依托,分析卵石地层深基坑土压力与朗肯土压力理论值的差别,并建立深基坑开挖土压力计算方法。采用离散元数值模拟和数据统计分析,获取围护结构平动、围护结构绕墙顶转动和围护结构绕墙底转动三种基本变位模式下静止土压力、被动土压力和主动土压力的分布特征。与朗肯土压力理论计算结果进行比较,得到不同变位模式下三种土压力的修正系数,并建立深基坑土压力修正计算方法。进一步与现场实测数据比较,对比验证所提出的土压力计算方法。[结果及结论]主动土压力和被动土压力分布形式具有强烈的非线性,可采用双折线进行描述,交点分别位于埋深8 m和9 m处。静止土压力修正系数分布在0.91~0.96之间,在使用时不需要修正;主动土压力修正系数分布在0.33~0.78之间,被动土压力修正系数分布在0.52~0.91之间,在使用时应予以修正。所提出的卵石地层深基坑土压力计算结果与现场实测结果吻合较好,可为类似轨道交通工程提供参考。

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。

旁侧深大基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响研究

为探究深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响,文中以杭州某邻近地铁隧道的深基坑工程为背景,建立坑底在隧道正侧方的三维模型,分析基坑开挖过程中邻近隧道的变形规律,并结合研究结果提出相应的监测方法。结果表明基坑开挖时要重视隧道顶部的裂缝监测;隧道变形以隆起为主,并产生远离基坑的水平位移及扭转;基坑与隧道水平距离超过25m后基坑开挖对隧道基本没有影响;基坑底板的施工能有效控制隧道变形,研究结果可为类似工程施工提供参考。

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。

矩形顶管临近地铁施工地表变形特性

伴随城市地下空间的利用与开发,对于矩形顶管工程的应用愈加广泛,为探究临近地铁隧道情况下,矩形顶管近距离施工时地表的变形规律,依托顶管工程,利用MIDAS-GTS-NX软件进行顶管施工全过程模拟,分析了各施工参数数值的改变对地表变形的影响。结果表明:(1)顶管顶进过程中,顶管机刀盘前方土体受挤压产生隆起变形,后方因地层损失以及出土卸荷而出现地表沉降,开挖面处地表隆起变形较大,地层扰动明显;(2)在一定范围内,增加掘进压力可以有效维持掌子面稳定,减小地表沉降,降低对周围建筑及临近地铁造成损害的风险;(3)增大注浆压力可以控制土体扰动,减小地表沉降,但本工程条件下,超过140 kPa会出现过度补偿作用,反而增加地表沉降;(4)摩阻力相对于掘进压力与注浆压力对地表变形的影响较小,但地表整体沉降反映出随摩阻力增大而增大的趋势。

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。

基于改进YOLOv8算法的地铁隧道裂缝识别方法研究

为解决地铁隧道裂缝智能识别困难,尤其针对地铁隧道裂缝检测天窗时间短、人工检测效率低、裂缝识别特征不明显、隧道内干扰物较多等问题,提出一种基于YOLOv8的改进算法——M-YOLO(Modified-YOLO),高效智能识别隧道裂缝。M-YOLO算法运用全维度动态卷积取代传统卷积模块,能显著提高检测的准确性,避免模型参数膨胀的问题;引入C2fGC模块对网络结构进行改进,构建新的特征提取与降维机制,增强高层次特征表示;整合CBAM注意力机制模块,强化对裂缝区域图像的特征学习与提取,减弱背景干扰,进而有效提升检测精度;引入WIOU损失函数来调节几何因素的惩罚程度,提高模型的泛化能力,在低质量数据样本下的表现更为出色。试验结果表明,在地铁隧道裂缝识别的真实样本中,M-YOLO算法的P mAP(平均精度均值)高达83.0%,较原模型提高了15.7%。

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。

3D打印隧道衬砌-围岩界面力学性能研究

[目的]3D打印技术在工程结构施工的研究和应用已逐渐深入,应用3D打印建造地铁隧道开拓了一种新的思路和方法,而3D打印施工过程中,衬砌与隧道围岩的共构效果和协同工作性能的保障是构建隧道衬砌结构体系的关键,需对其进行深入研究。[方法]通过试验模拟不同围岩条件下的界面特性,深入研究了3D打印隧道施工中衬砌和围岩之间的粘结力学性能及其影响因素。[结果及结论]围岩表面的粗糙度对3D打印衬砌混凝土的粘结效果有显著影响,而表面涂覆涂层能够有效改善衬砌-围岩界面的粘结性能,通过填补衬砌-围岩界面的微观不平整有利于提高3D打印衬砌施工质量。

大跨度人防隧道工程下穿施工对既有地铁隧道区间结构稳定性的影响

[目的]为分析新建大跨度人防隧道工程小净距下穿既有地铁线路施工时对地铁隧道区间结构稳定性的影响,需对人防隧道下穿施工过程进行模拟研究。[方法]依托青岛某扁平大断面人防隧道下穿既有地铁区间隧道工程,建立了三维有限元模型,模拟人防隧道开挖的全过程。重点分析了人防隧道设置的中隔墙在开挖过程中的力学响应及变形规律,以及整个施工过程对既有地铁车站及其区间隧道的影响情况。[结果及结论]人防隧道中隔墙在先行洞和后行洞施工过程中呈现出明显的偏压趋势;人防隧道初期支护结构受既有地铁隧道的上部拱顶效应与中隔墙的双重作用,呈现出罕见的前大后小的“四象限”分布规律,且右侧沉降值大于左侧沉降值;既有地铁车站及其区间结构受人防隧道开挖空间效应的影响明显,其变形趋势均表现为向开挖侧移动,但其变形值均小于规范规定的预警值。

高铁列车荷载作用下桩-土复合地基及近接地铁隧道的动力响应模拟研究

[目的]作为典型的振动荷载,高铁列车运行引起的振动荷载会诱发桩-土地基及附近结构产生动力响应,有必要对桩-土复合地基及近接隧道的动力响应特性进行研究。[方法]基于西安地铁14号线下穿大西高速铁路特大桥工程,采用模型试验和数值模拟相结合的方法,以峰值振动加速度、峰值振动速度和峰值振动位移作为动力响应评价指标,研究了列车移动荷载作用下桩-土复合地基及近接隧道的动力响应特性。[结果及结论]研究结果表明,当施加列车荷载时,地基内部的动力响应指标均随着埋深的增加而衰减,但存在近接隧道时,动力响应指标值显著增加,且在隧道埋深处衰减明显。随着距桩基中心距离的增加,隧道埋深处的桩-隧之间地基的各动力响应指标从“波浪形”分布变为单调递减分布。根据峰值振动速度的控制阈值,近接隧道埋深处距桩基础中心水平3.6 m范围内的地基处于危险影响区,必须采用减振措施;3.6~11.4 m范围内的地基处于强影响区,建议采取减振措施;11.4 m以外的地基处于弱影响区,视结构的重要性决定是否需要采取减振措施。

隧道开挖对上覆既有管线影响的简化解析计算方法

[目的]当盾构隧道下穿既有管线时,会引起既有管线发生沉降变形,因此有必要通过理论计算对隧道开挖引起的上覆既有管线受力变形进行研究。[方法]基于两阶段法提出一种可预测隧道开挖对上覆既有管线变形响应影响的简化计算方法,先采用Loganathan公式获得隧道开挖引起的周围土体自由竖向位移,并把土体自由竖向位移附加在既有管线轴线上,再将既有管线简化为无限长梁搁置于Vlazov地基模型,考虑管线侧向土体的影响,利用有限差分法获得管线纵向变形的解析解。[结果及结论]将所提简化计算方法与既有文献中的实际工程监测数据进行对比,验证了所提简化计算方法的合理性;将所提简化计算方法同退化的Vlazov地基模型及Winkler地基模型计算结果进行对比,验证了所提简化计算方法更贴近实测数据。地层损失率、隧道开挖半径的增大会引起既有管线沉降及弯矩的增大;增大新建隧道与既有管线的夹角能够减小管线沉降,但会造成管线弯矩的增大。

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。

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。