Analytical solutions of ground settlement induced by yaw in a space curved shield tunnel

This paper aims to provide the analytical solutions of the ground settlement for a space curved shield tunnel in the case of yaw construction.Settlement inducements include ground loss and construction loads,and two corresponding analytical models have been proposed in this study.Three-dimensional image theory has been adopted to calculate the ground settlement due to ground loss.Yawrelated parameters are introduced into the calculation model to deduce the relevant laws of the ground settlement.Based on modified Mindlin solutions,analytical models are established to calculate the ground settlement induced by construction loads,such as the frontal additional thrust,axial friction of shield shell,and the grouting pressure.The method of calculating the position of the shield machine in the ground is refined,and the influence area of construction loads from the shield machine is optimized.Subsequently,the obtained solutions are validated by a numerical model and field data.Besides,a comparison reveals that the proposed model is the composition of three classical analytical models,thus it excels them in solving the problem mentioned.Finally,parametric analyses of yaw are conducted to examine yaw angle and pitch angle on ground settlement.The proposed model can effectively predict ground settlement caused by the spatial linear shield tunneling process.

大直径浅埋隧道下穿运营高铁防护措施研究

研究目的:由于技术规程对受下穿工程影响引起高铁桥墩的位移要求高,为保证盾构施工期间运营高铁的安全,必须要对大直径浅埋隧道盾构下穿高铁段采取可靠的防护措施。本文依托国内首个下穿运营高速铁路的大直径盾构项目——苏州市城市主干道下穿沪宁城际铁路工程,针对其软土地区及高铁桥墩变形高等特点,研究盾构施工中地层损失率、隔离桩桩径及桩长、钢护筒内灌注材料等参数对高铁桥墩的影响,提出安全可靠的加固方案。研究结论:(1)隧道盾构下穿饱和粉、细砂土层,建议对隔离桩内的土体进行加固,提高土体稳定性;(2)隔离桩刚度随着直径的增加而增加,盾构施工对高铁桥墩的影响随之减小;(3)根据不同桩长的隔离桩水平变形和对高铁桥墩的影响,结合嵌入土层类型和深度,确定了合理的隔离桩桩长;(4)钢护筒内灌注不同材料的隔离桩,组合刚度主要由钢护筒的直径和壁厚决定,钢护筒内土体注浆对高铁桥墩影响比灌注混凝土的小;(5)提出软土地区下穿运营高铁工程的加固方案和安全评估思路,可以确保工程实施中和实施后沪宁城际铁路的运营安全,可为以后类似工程提供参考。

盾构地层损失与对应地面沉降计算的对比分析

研究目的:超大直径盾构下穿建筑沉降敏感区对地层扰动大,极易诱发地面沉降,导致流砂、管涌,给开挖面稳定性、运营安全、立体化施工带来较大挑战,而现有的研究成果主要针对浅埋小直径盾构,且考虑的地层损失定义各不相同,如何利用地层损失研究盾构施工地层损失与地面沉降的关系亟待开展。本文以某超大直径盾构在复杂环境下下穿建筑沉降敏感区工程为例,计算常规地层损失率、极端地层损失率下,隧道二维、三维地面沉降相应的地层损失率和相应地层损失率对应的地面沉降,探讨盾构施工与地层损失、地面沉降的关系。研究结论:通过研究得出:(1)盾构施工时,在5%的地层损失率范围,每增加0.1%的地层损失率,相应的地表最大沉降约增加3～4 mm;(2)平均盾尾地层损失率每增加0.5%,最终盾构沉降增加约8 mm;(3)盾首部分的地层损失与盾尾部分的地层损失共同影响总的地面沉降;(4)提出发展一套基于"地面沉降指标的地层损失控制率"的盾构控制方法;(5)本文可对深入开展盾构施工诱发的地面沉降、防治地质灾害,保证隧道工程合理设计、安全施工提供参考。

超大直径盾构下穿保护建筑群地面沉降预测

地铁隧道盾构下穿保护建筑群施工中,如何准确预测和合理控制诱发的地面沉降是亟待解决的难题。文章结合某超大直径盾构下穿保护建筑群施工实践,基于地层损失,利用经验-解析法建立了地面沉降和地层损失率的关系;利用Peck公式分析不同地层损失率下地面沉降以及不同距离、不同地层损失率对应的沉降值大小,再利用Attewell公式和刘建航公式对盾构推进至始发井前方不同距离处不同地层损失率下,以及通常地层损失率下盾构推进至不同位置处的地面纵向沉降进行了研究分析,并将其与监测数据进行了对比。结果表明,监测数据与解析计算结果吻合较好;盾构推进诱发的地面沉降最大值均位于隧道中轴线处,最大沉降量随着地层损失率的增大而增大;在相同的地层损失率下,距离隧道轴线越远的位置,盾构推进诱发的地面沉降越小。

砂土地层地铁盾构隧道施工对地层沉降影响的模型试验研究

为研究地铁盾构隧道施工扰动下不同埋深处砂土地层损失差异及沉降模式,以干砂为填料,通过逐步释放土体模拟地层损失,对砂土地层盾构隧道施工时由土体损失产生的地表沉降和土体内部地层沉降进行模型试验研究。结果表明:在砂土地层盾构隧道施工过程中,地层损失从地表向下以幂函数形式增长,最大沉降和沉降槽宽度系数与地层损失呈很强的正相关性;随着地层埋深的增加,沉降模式由高斯曲线形式过渡为烟囱状形式,沉降槽宽度系数在增加到一定数值后保持相对稳定状态,而最大沉降持续增长,对地层损失的增加起主要作用。基于统计分析原理,针对砂土地层的高斯沉降模式,建立了不同埋深处砂土地层损失与地表损失间的关系,提出不同埋深处砂土地层损失的计算公式,并结合试验数据修正了不同埋深处砂土地层的最大沉降以及沉降槽宽度系数的计算公式,最终得到不同埋深处地层沉降的计算公式。

基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制

依据盾构推进各阶段特征,分析了盾构推进引发地面沉降的机理。基于地层损失,建立了盾构隧道地面沉降控制体系。该体系综合了土层特性和盾构隧道设计参数,通过设定地层损失率,利用经验公式对隧道纵横两个方向的地面沉降做出预测,基于沉降控制指标反算需要控制的地层损失率,用于控制沉降;利用数值模拟分析隧道施工过程,基于地面沉降三维曲面,分析地层损失及施工控制参数对地面沉降的影响。对比分析设定地层损失率计算结果与现场监测数据,建立地面沉降—地层损失率—施工参数之间的联系,通过施工参数控制实现地面沉降的控制。

软土深部盾构开挖地层损失率对软土土拱效应的影响分析

盾构在软土深部地层进行主动开挖时,开挖所采取的地层损失率差异,会使得深部地层土体产生不同的位移以及应力变化,从而对软土深部地层的主动土拱效应产生差异影响。通过调整计算模型中的主动开挖土体范围,设定7种不同的地层损失率,建立地层损失与软土主动土拱效应比例之间的对应关系。通过分析可得:1)盾构在4倍直径埋深条件下进行主动开挖时,在隧道上方1～2倍直径范围内形成主动土拱作用区域; 2)主动开挖所采取的地层损失率越大,开挖后拱顶处所受到的主动土压力荷载越小,土拱效应发挥越充分,且当地层损失率到达一定值时,盾构开挖所产生的主动土拱效应比例逐渐趋近于稳定临界值。

基于地层损失的复合地层盾构隧道施工沉降研究

盾构隧道施工诱发地面沉降的影响因素较多,但主要因素可归结为地层损失引起的地层变形。基于现有地层损失的理论,对引起地层损失的注浆过程进行模拟,依此研究复合地层盾构隧道施工对地层沉降的影响。研究结果表明:隧道贯通时,土体最大沉降和隆起区域分别位于隧道拱顶和拱底;浆液的硬化会对地表和拱顶的沉降速率产生影响,当浆液弹性模量达到最终硬化的75%时,地表和拱顶的沉降速率达到最大值并开始逐步减小;地表和拱顶沉降随浆液的逐步硬化而趋于稳定,且拱顶沉降趋于稳定的速率更快。

盾构施工扰动引起隧道固结沉降的估算方法

以上海地铁为背景,探讨施工扰动造成隧道固结沉降的估算方法。将问题简化为平面应变问题;采用无量纲参数η和D反映盾构施工的松动效应与挤压效应,认为隧道沉降是松动效应与挤压效应共同作用的结果。采用镜像法对地层损失(松动效应)造成的隧道上浮量进行研究;采用柱孔扩张理论对挤压效应造成隧道固结沉降量进行研究,通过计算土体中各点应力增量得到各点的超孔隙水压力,进而得到挤压效应造成的扰动范围H;通过分层总和法计算挤压效应造成的隧道最终固结沉降量;利用平均固结度得到t时刻固结沉降量;将松动效应与挤压效应造成隧道竖向位移相加,得到施工扰动造成隧道固结沉降量。结果表明:地层损失造成的隧道上浮量与参数η成正比;挤压效应造成的隧道固结沉降量与参数D成指数关系;当D<0.3ln(1.34η+1.31)时,隧道表现为上浮;当D>0.3ln(1.34η+1.31)时,隧道表现为下沉。

盾构施工地层损失关键因素监测系统设计

地层损失是评价地铁盾构施工质量的重要指标,其影响因素众多,机理复杂.基于二维激光扫描、传感器阵列、数据融合等技术,使用二维激光扫描传感器、高精度电子皮带秤、科式质量流量计等传感器,实现对排土体积、质量、注浆量等对盾构施工地层损失影响重大的关键影响因素的实时监测.结合盾构施工的特殊环境和各传感器的使用要求设计本监测系统以及为实现准确测量进行必要的数据处理,为控制地层损失提供一种行之有效的方法.

浅谈盾构施工中的地面沉降

简要论述了盾构施工中地面沉降产生的原因,并以北京机场线某合同段工程为例,分析了盾构法在黏土和复合地层中引起地表隆陷的变化发展过程及其控制方法,对盾构施工具有指导作用。

盾构同步注浆参数对地表变形的影响分析

盾构壁后注浆是盾构隧道施工的关键环节,对地表沉降有着显著影响。结合长株潭城际铁路某区间盾构隧道施工,对盾构壁后注浆对地表沉降的影响进行研究。首先,选取3个断面,通过比较理论注浆量与工程实际注浆量,得到注浆损失量与理论注浆量的比值,将其定义为注浆损失系数。然后,利用ABAQUS有限元数值模拟软件模拟盾构开挖注浆过程,分析不同注浆损失系数下地表沉降的变化规律。考虑到工程实际中的非均布注浆压力模式,对开挖注浆过程进行数值模拟,并与均布注浆压力模式以及实测数据进行对比分析。结果表明:注浆损失系数越大,引起的地表沉降量越小;非均布注浆压力下的地表沉降与实际情况吻合较好,但沉降值比均布注浆压力下的沉降值大。因此在评估地表变形时应当考虑到非均布注浆压力的影响,而不仅仅是均布注浆压力下的地表沉降量。

管隧平行下盾构隧道与管线的模型试验研究

针对地下管线和盾构隧道平行工况,设计了一种模拟盾构隧道施工引起地层损失的模型试验,据此研究了在盾构隧道施工过程中地表沉降的变化规律及地下管线的力学行为变化,为盾构隧道施工提供了依据。

砂卵石地层盾构上穿输水隧道变形控制技术研究

针对砂卵石地层中盾构穿越施工的地层变形控制问题,依托北京地铁新建17号线区间隧道上穿既有南水北调东干渠输水隧道工程,通过现场监测和数值模拟方法研究盾构上穿施工的合理掘进参数、特殊新型管片设计、施工前土体注浆预加固、施工后补注浆加固以及填充克泥效产品等措施的地层变形控制效果。研究结果表明:1)新建地铁盾构的施工引起表层土体沉降,先行线施工通过后应补注浆充足,否则后行线施工将导致地层沉降变形显著增大;2)深层土体的水平变形随着土层深度的增加由上到下逐渐减小,表层土体水平变形最大;3)下伏既有东干渠输水隧道结构主要发生竖向隆起变形,基本无水平变形,变形最大值位于交叉点位置;4)砂卵石地层中严格控制盾构掘进参数、注浆加固等措施,能够有效降低新建盾构隧道上穿施工对既有输水隧道结构变形的影响。

大直径浅埋隧道对既有桥梁沉降影响研究

隧道盾构下穿既有桥施工时,由于土体扰动,盾构法施工对周围土体及既有桥结构基础的影响较为复杂,以某大直径浅埋隧道下穿既有桥为例,在常规地层损失率下,对比分析Peck公式与隧道二维模型的计算结果,验证隧道二维模型参数取值的合理性,在此基础上,建立三维有限元模型,研究同样地层损失率下三维模型的地面沉降及既有桥基础沉降规律。