Ground settlement and tunnel response due to twin-curved shield tunnelling in soft ground with small clear distance

Twin curved tunnels are often encountered in shield tunnelling,where significant complexities in densely exploited underground space are observed.In this study,the ground settlement and tunnel deformation due to twin-curved shield tunnelling in soft ground were investigated using numerical simulation and field monitoring.Different curvature radii of twin curved tunnels and subsequent effects of tunnel construction were considered to reveal the tunnelling effect on ground surface settlement and tunnel deformation.The results show that the settlement trough yields one offset towards inside of curved shield tunnelling.The location of settlement trough and maximum settlement were affected by curvature radius but except for the shape and width of settlement trough.Adjacent parallel twin-curved shield tunnelling could increase the offset of existing settlement trough and maximum settlement.Then,an empirical prediction of surface settlement trough due to twin-curved shield tunnelling with same tunnel diameters in soft clay was proposed,which was applicable to curvature radius less than 800 m.Finally,a minimum radius of 600 m of curvature tunnel was proposed in terms of allowable convergence deformation of tunnel.The result could provide guidance on safety evaluation for twin curved shield tunnelling construction.

小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

基于小半径曲线隧道盾构施工的Peck公式修正及其工程应用

[目的]在城市轨道交通线路规划中,因受建筑物地基、地下管道和软弱土层等因素影响,通常会选用曲线隧道乃至小半径曲线隧道。与直线隧道相比,小半径曲线隧道盾构施工加大了地面沉降失控风险。因此,需对小半径曲线隧道盾构施工中地面沉降控制进行研究。[方法]通过计算曲线隧道盾构施工过程中的超挖间隙,推导出曲线段内每一环的超挖量;又通过引入地层损失率得出隧道半径与地层损失率的关系;根据现有Peck公式的适用性统计分析结果,结合基础地层损失率、总地层损失率、超挖导致额外地层损失率,以及沉降体积切片计算得出了适用于小半径曲线隧道盾构施工的修正Peck公式。以太原某地铁线路的工程实例为研究背景,将修正Peck公式计算结果与现场监测数据进行对比,验证了修正Peck公式的适用性。[结果及结论]工程实例验证结果表明,修正Peck公式对小半径曲线隧道盾构施工具有较好的适用性。

常州地区小半径盾构区间施工下穿建筑物的影响分析

盾构区间施工在下穿建筑物的过程中,会引起建筑物的沉降与倾斜。文章以常州轨道交通2号线某小半径曲线的双线盾构区间下穿建筑物为背景,采用数值模拟方法研究了盾构下穿过程中的建筑物沉降特性。研究结果表明:在盾构下穿后,1~3号楼均发生了不同程度的沉降变形,其中1号楼在侧穿情况下受到的影响较小,2号、3号楼在正下穿情况下受到的影响较大,最大沉降4.79 mm。各建筑物的沉降与倾斜均满足控制要求。

城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究——以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例

针对超大直径盾构在岩溶强发育区、高黏性土和硬岩地层中的施工难题,依托武汉两湖隧道(南湖段)工程,通过现场勘探资料分析、文献调研以及专家咨询论证,总结归纳工程的施工重难点:1)盾构穿越岩溶强发育区施工风险高,极易发生盾构栽头与塌陷、突涌水等灾害;2)黏性地层盾构易结泥饼,造成盾构推力增大、掘进速率降低等问题;3)硬岩地层盾构刀盘易磨损,刀具易损坏,盾构掘进效率低;4)小曲线半径施工盾构姿态控制困难,导致隧道偏离设计轴线;5)大直径管片易上浮,致使管片错台、破损及渗漏。针对上述重难点问题,分析复杂地质条件下超大直径盾构选型技术,提出超大直径盾构穿越岩溶强发育区地层处理、高黏性地层超大直径盾构泥饼预防与处治、极硬岩地层超大直径盾构施工、小曲线半径盾构姿态控制和管片上浮预防等施工技术。

考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析

目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明:不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。

连续小曲率盾构掘进过程中管片及周边土体状态研究

随着城市开发进程,小曲率盾构的应用已是社会发展的需要,为开展小曲率盾构施工中盾构管片及周边土体状态研究,采用midas GTS NX建立连续小曲率盾构数值模型,以准确的实现盾构掘进的施工过程。根据研究分析表明:盾构掘进通过连续小曲率拐点后,掘进管片中的最大轴力和弯矩值均突然降低;盾构的掘进直接影响掘进段正上方地表变形,地表变形最大处位于进洞口处;曲线隧道对盾构两侧土体有明显的整体偏移影响,而在连续小曲率拐点处的双重曲率的耦合作用下,隧道凸出侧土体的变形更大,表现出来的位移变化规律更为复杂。

不同曲线半径盾构隧道施工扰动特性研究

为了探究不同曲线半径盾构隧道施工的扰动特性,本文以与桥桩水平净距为3.6 m的急曲线电力盾构隧道为例,建立不同曲线半径(50 m、80 m、120 m、150 m)下的急曲线隧道侧穿桥桩的三维有限元模型,分析曲线半径变化对盾构隧道施工地层以及附近桩基扰动的影响。研究结果表明:当电力盾构隧道曲线半径从150 m减小到50 m时,管片衬砌的横向与竖向变形值均有所增大,同时管片衬砌结构的第一主应力基本保持不变,第三主应力数值略有增大,管片衬砌拱底和右拱腰是应力集中的地方,施工中应重点监测;地表沉降变形最大值约为1.30 mm,且最大值位置出现在曲线内侧,随着盾构隧道的曲线半径从150 m减小到50 m,地表沉降值增大0.17%~22.90%;急曲线盾构隧道近接侧穿施工引起桩基上部出现沉降变形,而下部出现上隆变形,随着曲线半径从150 m减小到50 m,桩基变形增大1.0~1.1倍,桩基最大沉降值约为1.2 mm,处于较低水平。

基于精细化模型的盾构隧道纵向变形研究

为探究盾构隧道下沉或上浮时管片的受力情况,利用有限元软件ABAQUS建立三维精细化非线性有限元模型,分析在管片转动、错台等影响下连接螺栓、管片的应力发展规律。结果表明:在相同管片张开角条件下,连接螺栓的应力与变形曲率半径呈负相关。当变形曲率半径为3000 m、张开角为0.0020°时,首次出现螺栓屈服现象;当变形曲率半径为∞m、张开角为0.0400°时,首次发生螺栓破坏;当变形曲率半径≤1000 m时,不论张开角多大,所有螺栓均屈服。从环面方向对连接螺栓进行分析,可以看出环面上各螺栓的应力发展有3个阶段。当张开角增大或变形曲率半径减小时,管片部分区域的拉应力开始减小,相应阶段逐渐发展为塑性抗拉阶段。在小变形曲率半径(300~2000 m)范围内,管片的最大主压应力水平更多取决于变形曲率半径的大小,而随转动角的增大其变化较小。

小曲率盾构隧道管片施工附加内力计算模型研究

由于盾构隧道施工阶段结构受力复杂,尤其是对于小曲率盾构隧道,千斤顶推力容易引起较大的附加弯矩。为了解决小曲率盾构隧道附加内力计算问题,以某地电缆隧道盾构施工工程为背景,对千斤顶推力进行简化分析,提出了千斤顶推力引起的附加弯矩计算公式。根据公式计算结果,附加弯矩随盾构机的外径和长度增大而增大,随盾构隧道转弯半径减小而增大。针对该工程项目的具体结构尺寸对千斤顶推力的设置提供建议,计算结果可为类似工程提供一定的参考。

小曲率半径隧道盾构施工的地表沉降规律分析——以南昌地铁1号线为例

为探究小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的变化规律,利用Mindlin解建立小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的解析计算模型,以南昌地铁1号线盾构隧道工程为依托,通过与现场监测和已有Mindlin解析计算模型的对比分析,验证本文所建立沉降预测模型的合理性,并依次从盾构附加推力、盾壳不均匀摩擦力和地层损失对地面变形的影响进行分析。结果表明:本文所建立的小曲率半径隧道盾构施工引起的地表沉降解析计算模型可有效应用于实际隧道工程的沉降预测,提高了预测精度;盾构开挖过程中,横断面地表沉降槽呈V形,近似正态分布,施工产生的地层损失对地面沉降的影响更大;随着盾构路径两侧推力及摩擦力分布不均程度的增加,地面沉降槽中心偏移情况而增大,地面沉降与地层损失呈非线性相关。研究结果可为类似拟建和在建盾构隧道工程提供理论指导与参考。

小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律

依托西安地铁2号线正阳大道—北客站区间小半径曲线段盾构隧道工程,通过现场监测和数值模拟,分析了考虑千斤顶不对称推力和曲线内侧土体超挖情况下,小半径曲线段盾构隧道掘进过程中地表变形规律及曲线半径对地表竖向位移的影响。研究结果表明:在盾构掘进过程中开挖面前方22.1 m附近地表轻微隆起;隧道纵向地表沉降最大值出现在开挖面后方12 m处;隧道横向地表沉降槽呈非对称分布,曲线内侧地表沉降大于曲线外侧,沉降槽中心线向曲线内侧偏离隧道轴线,偏移距离为5.5 m;曲线半径主要影响开挖面后方地表沉降,隧道纵向、横向地表沉降最大值均随曲线半径减小而增大,曲线半径超过350 m后,半径变化对开挖面后方地表沉降影响较小。

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明:(1)双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。(2)单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。(3)提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。

小半径曲线隧道盾构施工地表沉降特征研究

在小半径曲线隧道的施工中,由于土体与盾构机之间的相互作用更复杂,盾构转弯半径内侧土体容易发生超挖情况,导致地表沉降难以控制。针对小半径曲线隧道盾构施工引起的地表沉降问题,以实际的工程地质条件与施工参数进行三维建模,通过MIDAS/GTS软件模拟小半径隧道盾构施工工况,研究了不同曲率半径、地层损失率、隧道覆土厚度、隧道盾构施工参数等变量因素下小半径曲线隧道盾构施工对地表沉降的影响规律。结合合肥当地工程背景条件,分析不同开挖阶段下施工所造成的地表沉降,可为小半径曲线隧道盾构施工提供控制地表沉降的措施。

曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析

为了探究小半径曲线盾构隧道顶进过程地表沉降的规律,对隧道结构施工过程进行数值分析,通过有限元软件分别建立直线和曲线隧道模型分析不同地层条件隧道地表沉降。研究结果显示,直线和曲线隧道在顶进力作用下地表沉降的规律不同,直线段沉降差值大致关于隧道轴线对称,而曲线段外侧有向上隆起趋势,内侧有向下沉陷趋势。研究结果对于今后小半径曲线的研究和施工有指导意义。

小半径曲线隧道盾构施工测控技术分析

通过曲线始发的小半径曲线地铁盾构隧道施工测控过程,对盾构隧道曲线始发技术、施工过程管片受力情况、盾构机姿态控制方法等进行了分析。针对小半径曲线隧道盾构施工测控中出现的盾构机姿态与管片姿态出现偏差的问题,提出了盾构隧道“割线法”曲线始发技术。通过盾构机姿态的预偏量控制,管片最终稳定姿态与设计隧道中心线达到了最佳拟合,偏移量达到规范要求,为矿山、公路、市政、水电等隧道工程测控技术提供了参考。

基坑近接既有地铁盾构隧道施工影响分区方法

为了确保基坑近接既有地铁盾构隧道的结构安全和正常运营,在对盾构隧道纵向等效刚度模型研究的基础上,建立了隧道纵向变形曲率与螺栓承载状态和线路正常运行要求的公式.结合沈阳某深、大基坑近接既有地铁盾构隧道施工工程的实际情况,通过改变既有盾构隧道相对新建基坑的空间位置关系,进行了多工况三维数值模拟计算分析,得到了基于桩锚支护的基坑近接既有地铁盾构隧道施工的强、弱、无影响分区图,并通过现场的沉降实测结果等验证影响分区标准和控制技术的有效性.研究结果表明:盾构隧道纵向变形曲率半径是基坑近接盾构隧道施工中隧道结构安全和正常使用的关键指标,可将盾构隧道纵向变形曲率半径作为近接影响判断准则;在确定基坑近接既有盾构隧道施工工程的影响分区时,可将盾构隧道轨道线形受影响的临界状态及管片接头极限状态下隧道纵向变形曲率半径,分别作为强弱影响区和弱无影响区的划分阈值.

小半径盾构下穿高铁桥支护优化及变形控制研究

以济南轨道交通R1线小半径盾构隧道下穿京沪高铁桥为工程依托,分析盾构掘进过程中对高铁桥的影响,并结合现场施工条件提出直线形、折线形、曲线形3种隔离桩布局形式,探讨其变形控制效果。结果表明:曲线盾构施工引起的周围土体应力状态及桥桩变形特征比盾构直线掘进更加复杂,在无隔离桩支护时,桥桩沉降超过1mm的规范设计要求,桩基水平位移高达3.112mm,高铁桥变形过大;对比分析3种隔离桩布局,直线形隔离桩变形控制效果较差,不能完全保证高铁桥安全,曲线形和折线形隔离桩可有效控制高铁桥变形,综合考虑经济性与施工便捷性,确定折线形隔离桩布局最优。研究成果对小半径盾构隧道隔离支护施工具有重要指导意义。

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈"S"型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。

富水砂层土压平衡盾构小半径曲线始发掘进参数控制研究

盾构始发是盾构施工的关键环节,也是盾构施工时的高风险环节。为给南昌地区富水砂层条件下盾构曲线始发施工提供掘进参数设置样本,以南昌市轨道交通3号线绳金塔站—六眼井站盾构始发工程为背景,对富水砂层盾构小半径曲线始发段主要掘进参数进行统计分析,确定相关参数的优势区间,并基于盾体姿态控制参数和地表沉降进行掘进参数控制效果评价。结果表明:1)盾构水平方向2组油缸推力在曲线段和直线段变化差异明显,线路平曲线半径越小,差值越大,在左右线曲线段和直线段水平方向2组油缸推力分别相差87.2%和75.8%;2)线路平曲线半径越小,所需的总推力和刀盘转矩越大,而掘进速度略有降低,左右线总推力均值为1397.6 t和1671.7 t,刀盘转矩均值为3101.1 kN·m和3723.9 kN·m,掘进速度均值为38.8 mm/min和35.1 mm/min;3)由于始发段掘进断面地层相对均一,土舱压力基本随隧道埋深呈线性增加,而由于右线曲线半径更小,因此右线土舱压力离散程度相对较高;4)左右线盾尾注浆量差异不大,优势区间均为3~6 m^(3),均值约为4 m^(3);5)左右线曲线始发段水平方向盾体姿态超限率分别为2%和4%,地表累积沉降最大值仅为6.25 mm,表明本工程小半径曲线始发段掘进参数控制效果较好,掘进参数对地层条件和线路线型具有良好的适应性。