软土地层盾构掘进土体稳定性模型试验研究

针对软土地层盾构掘进周围土体稳定性问题,自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘进试验平台,通过改变外壳直径以模拟地层损失,采用动力控制系统,微型隧道掘进机可以实现盾构隧道的连续动态机械开挖。基于试验平台进行了地表无超载、地表有局部超载和隧道临近穿越群桩基础3种工况的盾构隧道掘进试验,通过传感器监测不同工况掘进过程中地表沉降变形和隧道周围土体的应力变化,研究土体的稳定性特征,并进行横向对比分析。结果表明,隧道开挖引起的土体应力重分布主要发生在隧道中心1倍直径范围内;局部超载对土体稳定性影响有限,但超载会造成其所在位置附近地表沉降增大;群桩基础对地层起到了一定的加固和隔离作用。

高层建筑上部结构施工对邻近软土隧道影响的数值分析

已有研究表明,高层建筑从下部至上部的结构施工阶段,以及竣工后运营阶段,都会对邻近的地铁隧道产生影响。然而,目前国内关于高层建筑对邻近隧道影响的研究主要关注下部结构施工阶段,对上部结构施工阶段的研究成果较少。因此,本文针对城市化进程中高层建筑施工对邻近软土隧道影响的问题展开研究,以上海市某高层商办楼项目为案例,采用Plaxis 3D软件建立三维有限元数值模型,通过现场监测数据验证模型准确性后,分析了坑隧水平间距、坑隧垂直间距和基坑深度对隧道结构内力和变形的影响。研究发现,隧道的最大位移、轨道高差、上下行线差异沉降均会随着坑隧水平间距与隧道中心埋深的增加而减小,随基坑开挖深度的增加变化不明显,3个影响因素对隧道最大弯矩的影响均不明显;此外,3个影响因素对隧道沉降的影响程度相近,但坑隧水平间距为主要影响因素。

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。

盾构穿越软土地层预加固数值模拟与变形控制

依托佛山地铁3号线创驹区间盾构隧道工程,采用数值模拟得到不同加固方式下的地表沉降和隧道变形,研究了盾构穿越全断面软土地层时的变形规律,提出一套盾构安全穿越加固建议,并结合现场实测,验证了模拟结果的正确性。研究表明:盾构在全断面软土地层中推进时,地表沉降、隧道拱顶沉降和水平收敛值均不断增大,且主要发生在盾构通过时及盾尾管片脱出后,同时该段也是预加固的主要作用范围;先行隧道对地表沉降影响大于后行隧道;盾构穿越未加固土层时地表沉降、隧道拱顶沉降、水平收敛最大值分别为27.7 mm、13.78 mm、10.57 mm,采用超前预注浆加固时各变形分别为未加固的57.0%、69.1%、61.0%,采用三轴搅拌桩预加固时各变形分别为未加固的32.1%、50.2%、43.0%,预加固可有效控制变形,且三轴搅拌桩变形控制优于超前预注浆加固。当盾构区间地面环境复杂,不具备地面加固条件时,建议采用超前预注浆加固控制地表沉降量及隧道变形。

静-动荷载作用下欠固结软土盾构隧道长期沉降与最优埋深计算方法

为研究地表堆载、列车荷载和欠固结软土固结沉降联合作用下的盾构隧道长期沉降数值及其变化规律问题,依托广州市南沙至珠海(中山)城际项目,利用PLAXIS建立有限元模型计算外部作用下的盾构隧道长期沉降值,通过单因素敏感性分析和非线性拟合方法分析各影响因子对长期沉降的影响并确定5种关键影响因子,提出长期沉降与最优埋深计算方法。研究结果表明:1)超固结比与隧道埋深对长期沉降影响最大,上部堆载荷载值、荷载作用宽度和列车荷载影响次之,而荷载距离、列车速度和渗透系数对长期沉降的影响可以忽略不计;2)为求解盾构隧道长期沉降值,提出静-动荷载作用下欠固结软土盾构隧道的长期沉降计算方法,计算值与模拟值吻合良好;3)将国家规范中盾构隧道变形控制值(20 mm)作为隧道沉降控制值,代入长期沉降计算公式,反推得到隧道最优埋深计算公式,其中软土欠固结特性对最优埋深影响最大。为有效控制长期沉降发展,建议将隧道整体置于较好的土层中,如需设置在淤泥及淤泥质土层中,则应进行地基处理、排水固结,以改善土体欠固结程度。

霞浦深厚软弱土层核电排水隧洞工程设计关键因素及对策

规划新建核电厂建设厂址条件日益复杂,其排水隧洞工程建设中需综合考虑软弱土层、高水压、排水口实施等因素带来的影响,并在工程建设前期规划中合理布置隧洞线路与选择结构方案。为此采用工程类比法对同类工程进行调查研究,分别对隧洞不同埋深、不同衬砌结构方案等进行比选,对影响霞浦核电排水隧洞工程建设的部分因素提出应对措施,并据此确定了建设方案,为工程建设的顺利进行奠定了基础。

软土场地双线盾构地铁隧道施工数值模拟分析

以天津软土场地某双线盾构地铁隧道为研究对象,数值模拟了地铁盾构隧道掘进过程,研究不同计算方法、不同隧道埋深以及不同双线净距对地表沉降的影响。研究结果表明,双线净距越大、隧道埋深越小时,等效圆法所得的地表沉降结果与工程经验相差较大,不适用于双线隧道盾构施工地表沉降预测;叠加法能考虑双线隧道的相互干扰作用,获得地表W形沉降曲线;双线净距较大且隧道埋深较小时,地表沉降呈W形沉降模式,其他情况下均为V形沉降模式,地表沉降最大值随着隧道埋深和双线净距的增大而减小。

滨海软土地层隧道衬砌地震动力响应及损伤特征

地震作用下穿越软土地层的地铁隧道易受到严重破坏。因此,研究该类型地层下隧道的地震响应及损伤特性对地铁的安全运营至关重要。为此,首先结合分段曲线损伤模型和Druker-Prager弹塑性模型推导出反映混凝土损伤的弹塑性方程。然后借助FLAC^(3D)有限差分程序及二次开发接口建立以混凝土管片损伤模型为基础的土-盾构隧道相互作用模型。最后对水平和竖直方向地震波影响下盾构隧道的动力响应及结构损伤进行研究。研究结果表明:通过FLAC^(3D)数值软件的单轴拉伸和压缩试验得出所建立的混凝土管片弹塑性损伤模型能够很好地反映混凝土的力学损伤特性及材料的软化发展规律,从而验证了该模型的合理性与准确性。盾构隧道的动力响应及损伤度与地震振幅呈现正相关性。水平方向地震波、竖直方向地震波作用下隧道结构的最大损伤增量位置分别为隧道拱脚、拱肩处和隧道两侧处。其中,竖直方向入射地震波对隧道损伤度的影响更为显著。

软土地层双线隧道地表沉降计算公式修正

由于双线隧道存在复杂的耦合作用,盾构施工引起的地表沉降规律极为复杂,所以准确计算地表沉降较为困难。基于Peck公式和Chapman修正参数,考虑先行隧道的施工影响和双线隧道的相对位置关系,通过参数的经验量化,建立双线隧道地表沉降的计算公式。此外,依托苏州市轨道交通S1号线工程,讨论公式在不同土层中的适用性及参数取值范围,在此基础上采用PLAXIS 3D有限元软件对双线隧道盾构施工进行了数值模拟。结果表明:在软土地层中进行盾构施工,应用所建修正公式计算得到的地表沉降值与数值模拟和现场实测结果均较为吻合。所建修正公式考虑了双线隧道的位置信息,可以定量反映隧道埋深和双线隧道间距对地表沉降的影响。研究成果可为软土地区双线隧道盾构施工沉降计算提供参考。

高速列车振动下软土震陷对水下盾构隧道的影响

依托广州至湛江高速铁路湛江湾海底隧道工程,建立“地层-隧道-道床”数值模型,从不同软土层厚度和软土层相对位置两方面,研究高速列车振动下软土震陷对盾构隧道结构的影响。结果表明:盾构隧道沉降随软土厚度增加而增加,而加速度响应与软土厚度关系不大,速度响应初始时变化不大(软土厚度11.0~20.0 m),而后有所下降(软土厚度20.0~21.5 m),最后又迅速增大(软土厚度21.5 m以上);盾构隧道的动力响应受软土层位置影响较大,隧道未通过软土地层时,沉降量与速度值较小;隧道部分通过软土地层时,沉降量与速度值随着断面通过软土的比例增加而较快增加;隧道全断面通过软土地层时,沉降量与速度值增长迅速。

上软下硬地层盾构开挖面稳定性计算模型

针对上软下硬地层失稳特点,在假定开挖面附近因土体失稳而由软硬地层分界线先向上诱发形成部分楔形体、再呈倒圆台状向地面发展的基础上,提出开挖面稳定性计算模型。先基于极限平衡法提出部分楔形体计算模型;再依据修正后的楔形体计算模型,分别计算上覆土压力和开挖面前方部分楔形体的受力;最后依托青岛地铁6号线某区间工程开展数值模拟,验证理论模型。结果表明:不同支护应力比条件下的土体变形范围有所差异,土体变形主要发生在开挖面前方和上方并呈泡状延伸;数值模拟得到的开挖面失稳形态基本符合理论计算模型的假定形状;理论计算得到该例盾构开挖面极限支护应力比为0.21,与数值模拟的误差率为5%;当开挖面支护力小于极限支护力时,上软下硬地层开挖面水平变形会突然迅速增大;开挖面附近的岩土体变形主要发生在上部软弱部分,最大水平位移出现在上部软土中心附近,开挖面上土体最大水平位移与开挖面上方地表最大竖向位移间的相关性较高,两者变形规律类似。

上软下硬地层隧道盾构施工地表沉降影响因素及规律研究

为研究盾构隧道穿越上软下硬地层时,开挖面内不同土岩厚度比对地表沉降的影响,以贵阳轨道交通3号线某区间隧道为工程背景,保持隧道埋深和双线隧道间距不变,建立7种工况下的三维有限元模型,通过与实测数据对比分析得到沉降规律,并利用双线隧道的44组地表沉降数据,拟合出适用于当地复合地层的Peck分段公式。研究结果表明:从整体看,数值模拟的沉降曲线均为W形,地表最大沉降位于先行隧道上方;穿越红黏土层时地表更易受到扰动而产生不均匀沉降,随着土岩厚度比的减小,模拟曲线对称性增强,左右隧道的沉降差缩小,整体沉降值基本表现为减小趋势;总结土岩厚度比与修正系数的关系,图表显示Peck分段公式能较好地预测贵阳上软下硬地层的沉降规律。

上软下硬地层地铁盾构施工地表沉降模拟分析

为了研究上软下硬地层地铁盾构掘进引起的地表沉降规律,以某地铁工程大岭山东站—松山湖站区间盾构掘进项目为依托,通过实测和数值模拟,对比分析上软下硬地层盾构掘进及硬层比对地表沉降规律的影响。结果表明:单双线盾构掘进地表横向沉降规律分别呈V形和W形变化;盾构掘进时对前后地表变形影响的范围约为40 m,其中前方5 m至后方15 m范围内的地表沉降变化率最大;地表沉降随地质硬层比的增加逐渐减小,硬层比为16.7%~83.3%时,地表沉降变化较大,可将硬层比83.3%、16.7%作为上软下硬复合地层研究的上下限。

软弱地层盾构始发施工技术研究

依托澳门地区轻轨延伸横琴线横琴口岸地下站(HE–2站)盾构区间始发工程,基于现场实际施工方案,对盾构始发施工技术概况与技术流程展开研究。盾构始发是盾构施工的主要风险点之一,特别是在软弱地层,若控制不当或措施不到位,易导致水土流失和地面大面积沉陷,造成盾构进洞姿态突变、盾构出洞段轴线偏离等不良现象。实践表明,采用始发端头加固、始发托架及反力架加固、二次补强注浆等措施,可降低始发风险,确保盾构始发施工的安全性。

盾构掘进对浅基础建筑物的扰动及影响分区研究

软土地层中地铁隧道盾构掘进对上方建筑物的扰动效应明显。本文以典型软土地层为背景,模拟不同空间位置盾构下穿浅基础建筑物的扰动效应,分析地表沉降变化规律,探究盾构下穿独立基础、筏板基础、箱型基础建筑物的内力及变形特征,并基于复合准则和强度折减法研究了软土地层盾构下穿建筑物的影响分区。研究结果表明:建筑物沉降随隧道埋深的增加先增加再减小,在隧道埋深(H)=12 m时达到最大值;隧道埋深增加会导致建筑物的水平倾斜变小,最大倾斜值出现在H=6 m处;可将隧道衬砌及围岩的安全系数比值曲线突变点作为强、弱影响分区的界限。研究结果可为软土区盾构掘进对浅基础建筑物的扰动分析及影响区的划分提供参考。

上软下硬地层近距离下穿既有盾构区间注浆加固关键技术

依托广州某新建大直径盾构隧道下穿既有盾构区间项目,研究了在富水花岗岩地层中复杂周边环境条件下的地层加固技术以及下穿过程中的关键施工措施。结合施工条件,对新建盾构区间采取水平定向钻注浆、先行洞预留注浆孔注浆、盾构机超前注浆结合的主动注浆方式;对既有线进行预注浆加固的被动注浆方式。施工过程中,采用控制掘进参数、渣土改良、同步克泥效等控制手段,保证了盾构下穿过程的顺利进行。

软土区盾构隧道下穿施工对在建高铁的影响研究

针对软土地层中地铁盾构隧道曲线下穿在建高铁的工程问题,提出采用桩板结构对下穿区域软土地层进行加固的工程措施,并运用数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了盾构下穿施工对软土加固区、高铁路基和轨道的影响。研究表明:采用桩板结构对软土区进行加固可以有效减小盾构施工对上部结构的影响;加固后的软土区域在盾构掘进时上部路基和钢轨变形均很小,而在远离桩板结构加固区域,其变形大于加固区域,说明在盾构下穿软土区段采用桩板结构进行加固对控制上部结构的变形具有显著的效果。

化学镀铁镍碳纤维制备及其电磁屏蔽性能

为提高碳纤维(CF)的屏蔽性能和实现宽频化应用,本文通过化学镀方法分别在CF表面沉积Ni、FeNi金属层,制备了碳纤维杂化材料(CF@Ni、CF@FeNi)。其次以水性聚氨酯(WPU)为基体,依次以CF、CF@Ni和CF@FeNi为填料,制备了轻质、柔性的复合材料。同时测试了复合材料在30~3000MHz的电磁屏蔽性能和10~100kHz的磁屏蔽性能。结果表明,成功地在碳纤维表面镀覆了一层致密、均匀的金属层,其中CF@FeNi的饱和磁化强度(Ms)、剩余磁化强度(Br)和矫顽力(Hc)分别达到了10.02emu/g、0.76emu/g和26.06Oe。金属镀层改善了碳纤维的电磁屏蔽性能,并有效提高了其在低频段的磁屏蔽性能。当添加量为9%时,WPU@CF@FeNi在30~3000MHz与10~100kHz的屏蔽效能峰值分别达到26.9dB和18.0dB。

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明:①该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;②在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;③岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;④预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。

盾构穿越破碎带区域隧道变形特征研究

研究了盾构隧道下穿破碎带区域时隧道的变形特征及其控制方法。研究发现,该变形可分为稳定阶段、突变阶段和加剧阶段,采用超前支护可以有效减小拱顶沉降和拱底隆起,其中加剧阶段的控制效果最佳,其次为突变阶段,最后为稳定阶段;施工时,距掌子面较远时掌子面的挤出变形值较小,距掌子面较近时则变形值较大;掌子中部偏下区域变形值较大,超前支护能够控制掌子面的纵向内部位移和竖向挤出位移,并降低围岩塑性变形区域。该研究可为盾构隧道的施工提供参考和指导。