MECHANICAL ANALYSIS OF SHAFT LINING WHEN THE STRATUM SETTLEMENT RESULTING FROM WATER DRAINAGE

Based on the stratum settlement resulting from water drainage, this paper establishes the calculating method of stresses and displacements of shaft lining and stratum by using Fourier integration, obtains the calculating formulas of tangiential load which shaft lining is subjected to, and provides theoretical basis for design of shaft lining.

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

基于柱孔收缩理论的含气土盾构施工引起地表沉降研究

依托杭州地铁塘青线盾构穿越含气地层的实际工程,对柱孔收缩理论进行修正,首次提出基于柱孔收缩理论的含气地层盾构施工引起地表沉降理论计算公式,并结合实际工程参数,分析隧道埋深、开挖半径、基质吸力等因素对含气地层盾构施工引起地表沉降的影响。研究表明:柱孔收缩理论计算结果与实测数据较为吻合,能较好地反映出含气地层盾构掘进引起的地表沉降特征;与饱和土工程不同,双线盾构穿越含气地层时,先行线引起的地表沉降更大;含气土等非饱和土中基质吸力通过改变土体内摩擦角和黏聚力进而影响土体特性,但较之于土体黏聚力,土体内摩擦角的变化对盾构穿越含气地层引起地表沉降的影响更大。

非均匀沉降区埋地管道力学响应研究

地层非均匀沉降是埋地管道面临的常见地质灾害之一,影响管道安全运行.为此建立地层沉降区管土耦合模型,研究了地层沉降量、管道壁厚、内压、管材对管道屈曲模式和力学性能的影响.结果表明:地层沉降作用下管道轴向拉伸应变和压缩应变集中在沉降过渡区;沉降量较小时管道表面应变呈波纹状分布,沉降较大时管道产生局部屈曲;相同工况下,薄壁管道易发生屈曲失效,厚壁管道出现波纹状应变分布;随着内压增大,管道屈曲程度逐渐减弱;高钢级管道的屈曲程度越小.

粉细砂地层双线盾构施工实测地表沉降规律分析与预测

依托南通地铁二号线某区间盾构隧道施工,针对盾构穿越典型粉细砂地层条件,对双线盾构隧道施工引起的地表沉降开展现场测试和规律分析,对经典Peck公式在南通地区粉细砂地层中双线盾构施工的适用性进行探讨,并研究先行线和后行线土体损失率和地表沉降槽宽度系数的取值及影响因素。研究结果表明,在粉细砂地层中,后行线隧道施工对地层的二次扰动效应会引起先行线轴线上方地表沉降的显著增加,且二次扰动效应明显强于其他软土地层,但弱于砂土地层;相较于淤泥质土地层,在粉细砂地层中盾构停机对地表沉降的影响更为显著;先行线和后行线施工引起土体损失率比值η_(1)/η_(2)在1~5倍范围内,平均值为2.3,先行线和后行线地表沉降槽宽度系数比值K_(1)/K_(2)在1~2倍范围内,平均值为1.4;砂土、粉细砂和粉土地层中土体损失率比值η_(1)/η_(2)均大于1,η_(1)/η_(2)和K_(1)/K_(2)与隧道覆土深度比(H/D)相关性较弱。

北京地铁粉质黏土地层新型PBA车站沉降规律研究

PBA(Pile-Beam-Arch)工法已成为北京地区繁华路段地铁暗挖车站的主流工艺,但因其工序转换复杂,施工流程步序多,易引起地层沉降。新型PBA工法是在单层4导洞PBA工法的基础上,将中间导洞联合,共用中隔壁,形成CD法(中隔壁法)施工的大断面导洞,相较于传统双层8导洞PBA工法以及近些年推广的单层4导洞PBA工法,地层沉降规律难以掌握。以北京地铁22号线甘露园站为依托,运用有限元数值分析软件模拟车站施工过程,结合现场实测数据分析粉质黏土地层新型PBA车站地层沉降规律。结果表明:粉质黏土地层新型PBA车站施工过程沉降最大发生在开挖面拱顶上方;地层沉降主要发生在导洞开挖与扣拱阶段,约占整体总沉降的89.5%;受中导洞形式影响,导洞施工阶段造成的地层沉降比传统PBA车站要大。

新型PBA工法初期支护施工地层沉降规律研究——以北京某地铁站为例

PBA(pile-beam-arch)工法施工过程中地层沉降主要集中在初期支护施工过程。新型PBA车站是在传统单层4导洞PBA车站的基础上,将中间导洞联合,共用中隔壁,形成由CD法(中隔壁法)施工的大断面。初期支护施工过程地层沉降规律难以掌握。为了研究地层新型PBA车站初支施工过程地层沉降规律,依托北京采用新型PBA工法施工的某地铁车站,运用Peck理论、有限元数值分析和现场监测相结合的方法,对该车站新型PBA工法初期支护施工过程地层沉降规律进行分析。研究成果可为今后相同车站施工提供借鉴。

岩土复合地层双孔隧道开挖对地表沉降的影响

为研究岩土复合地层中双孔平行隧道开挖对地表沉降的影响,提出一种基于复变函数理论和随机介质理论相结合的计算方法,讨论不同隧道开挖半径、隧道间距以及土层主要影响角对地表沉降的影响。结果表明,相较于不分层理论,考虑岩土分层的计算结果与有限元结果更加吻合;随着隧道开挖半径的增大,地表沉降随之增大;随着隧道间距的增大,地表最大沉降值随之减小,沉降曲线形态发生变化;随着土层主要影响角的增大,地表最大沉降值随之增大,地表沉降槽宽度变小。

砂卵石地层冻结法施工融沉效应研究

本文针对富水砂卵石地层联络通道应用冻结法进行施工时的融沉特性进行研究,在数值模拟软件ANSYS中采用间接法进行热力耦合计算,模拟地铁联络通道冻结法施工的全过程,探讨富水砂卵石地层融沉阶段地表变形、双线隧道管片及联络通道结构的变形与受力特性,为实际工程施工提供有效的参考与建议。结果表明:随着砂卵石地层的逐渐解冻,地表沉降呈逐渐增大的趋势,但砂卵石地层的融沉效应小,融沉变形仅有1.85 mm;管片和联络通道结构的沉降变形值随砂卵石地层的解冻逐渐增大,在此过程中管片和联络通道结构的拉应力减小,压应力增大;实际施工中,应该重点监测管片结构在与联络通道结构连接处顶部的沉降变形、底部的受压情况以及联络通道结构底板处的沉降变形和受压情况。

“上硬下软”土层既有建筑基础加固方法

广西某工程项目地质条件复杂,土层力学特性变化明显,土层刚度呈现“上硬下软”状态,且分布厚度不一,多栋建筑封顶后出现不均匀沉降,本文旨在确定一种基础加固方案能够较好地解决以上问题。针对土层“上硬下软”的特点,对于沉降较大的区域创新采用“Φ377+Φ127组合钢管桩”进行基础加固,防止沉降继续发展。浅层硬壳层采用Φ377钢管桩提供承载力,深部软土层采用Φ127钢管桩深入原CFG桩下1~2 m,结合注浆工艺,加固松软土体,对原CFG桩桩底进行加固。对于沉降较小的区域创新采用高压注浆深层扰动技术,增加局部沉降。采用动阻力控制作为终桩条件,解决土层起伏剧烈地区桩端持力层无法判断的工程难题。“Φ377+Φ127组合钢管桩”极大地提高了原工程桩承载力,从而解决了坚硬土层难以沉桩、软弱土层承载力不足的工程难题。该基础加固方案成功解决了既有建筑的不均匀沉降工程难题,积累了宝贵的工程经验,为“上硬下软”复杂土层既有建筑基础加固提供了新思路,具有显著的经济效益和社会效益。

盾构隧道平行转叠线施工地表沉降特征及控制技术

叠线隧道施工过程中,由于上下线的相互影响,对地层的扰动相比于普通隧道更加剧烈。结合郑州地铁3号线二太区间超小净距叠线盾构隧道工程,基于现场大量实测数据,对2条盾构隧道由平行转到叠线施工所引起的地表沉降进行了分析,得出了全过程的地表沉降特征:平行段左右线开挖对地表的最大沉降影响较小,叠加效应主要体现在地表沉降的横向范围;进入过渡段之后,由于地层、埋深变化和下线隧道开挖时的扰动,上线隧道开挖时引起的地表沉降逐渐增大;隧道开挖进入叠线段时,由于2条隧道间距逐渐减小,下线隧道开挖之后对上线隧道开挖的影响逐渐增大,又因为上线地层变为砂层,导致地表沉降达到26.63 mm,后采用二次补浆措施才得以控制。最后提出地表沉降控制措施。

风积沙地层仁布隧道进洞支护方案研究

风积沙地层隧道稳定性差,极易产生坍塌等灾害。为探索隧道洞口段穿越风积沙地层时有效的施工加固措施,保证安全快速施工,依托雅安至叶城国家高速公路拉萨至日喀则机场段仁布隧道洞口穿越厚层风积沙工程,结合风积沙地层特点对比分析常见的加固措施,总结一套风积沙地层条件下采用大管棚辅助、微型桩锁脚、旋喷桩加固地基及三台阶七步开挖法开挖施工隧道的进洞支护技术方案,成功实现隧道进洞。基于工程背景建立有限元模型,分析三台阶七步开挖结合管棚支护及地基处理措施对地表沉降、隧道收敛及拱顶沉降的控制效果,符合工程安全标准。

富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究

以武汉市某区间地铁隧道工程实例为背景,介绍富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工的难点和风险。利用PLAXIS 2D/3D建立数值模型验证优化方案的可行性。研究结果表明,采用台阶法开挖引起的地表沉降较CRD法小,地表沉降槽的影响范围为隧道中心线左、右两侧的3~4倍隧道断面尺寸;采用全断面注浆搭配管棚支护相较于长短管注浆搭配超前小导管对地表沉降、衬砌结构的变形控制效果优良,前者降低了下穿地下车行通道施工段结构的最大沉降值约46.88%。

富水深厚砂卵石地层深基坑降水引起的地层沉降预测

以洛阳轨道交通车站深基坑降水为背景,利用降水施工实测数据对数值计算模型采用的边界条件进行修正,同时计算出敞开式条件下不同降水深度和不同含水层厚度的降水漏斗曲线,并进行数值拟合。将拟合函数引入土体压密计算公式,预测因降水引起的坑外地层沉降。通过实测数据对预测方法进行了验证,结果表明:预测结果与实测结果分布趋势一致,预测值较最大实测值平均偏大12.1%。该方法可以用于预测富水深厚砂卵石地层深基坑降水引起的地层沉降。

土岩组合深基坑围护结构受力与变形特性分析——以青岛海天中心深基坑为例

为了研究土岩组合二元地层超深基坑受力、变形和邻近建筑沉降随基坑开挖的演化规律,依托于青岛海天中心城市综合体桩锚支护结构体系超深基坑工程,对预应力锚索轴力、基坑水平和竖向位移以及周边建筑物沉降进行了实时监测。结果表明,基坑开挖期间内,预应力锚索轴力随时间的变化规律主要分快速下降、稳定变化和基本稳定3个阶段,锚索轴力平均损失率约为15.08%;基坑最大水平位移为12.30 mm,最大竖向位移为11.01 mm,基坑临近建筑物最大沉降量为1.2 mm,远小于设计和现行《建筑基坑工程监测技术标准》的容许变形值,说明桩锚支护结构体系可以有效控制基坑变形,确保毗邻建筑物安全;同时表明该基坑的支护设计方案有较大的优化空间,从而节约工程成本。研究成果对相似地质条件的超深基坑围护结构设计具有重要参考价值。

富水砂层盾构下穿老旧村庄沉降控制研究

依托西安地铁16号线1期某区间盾构工程,针对其在富水砂层地区,盾构下穿老旧村庄施工条件复杂的情况,通过有限元模拟、现场自动化监测、停机抽水注浆等一系列主动控制措施,形成一整套盾构下穿老旧村庄的沉降控制方法,解决盾构在富水砂层地区掘进易发生喷涌及地表沉降过大的难题。研究结果表明:在富水砂层双线盾构施工时,盾构产生的最大沉降位于盾构中心轴线上,且后行线施工对先行线隧道周边土层的二次扰动不容忽视,二次扰动产生的沉降约是先行先贯通后沉降的50%;提出的注浆管均匀设置多个主、副通孔工艺可对不同距离和深度处进行注浆处理,使注浆范围更全面。

强透水地层基坑降水对渗透变形和沉降安全的影响分析

为解决二元结构强透水地层基坑降水可能引发的渗透变形和地面沉降问题,以西霞院水利枢纽输水及灌区工程渠首倒虹吸段开挖基坑降水工程为研究对象,开展现场微水振荡试验和室内试验,根据勘察资料和试验结果获取研究区的水文地质参数。提出以明渠排水为主、明渠排水与防渗帷幕相结合的两种降水方案并进行基于GMS的Drain数据包数值模拟,验算不同方案下基坑渗透变形情况,同时对西北侧邻近的西霞院水利枢纽堤坝沉降安全进行分析。结果表明:两种降水方案均不会引发渗透变形和地面沉降破坏,其中明渠排水与防渗帷幕相结合的方案更适用于渗透性强、与河流水力联系密切的二元结构地层基坑降水。

上软下硬地层浅覆土超大直径盾构扰动规律研究

为揭示上软下硬地层中浅覆土盾构施工引起的扰动规律,以深圳市妈湾超大直径海底隧道始发段为依托,建立了浅覆土段双线盾构三维数值模型,根据地表沉降数据验证模型并分析了浅覆土双线盾构的地表沉降规律。基于莫尔-库伦强度理论提出强度余量的概念,重点分析了不同掌子面支护力、注浆压力下双线盾构显著扰动范围交叠区内土体单元的强度余量变化历程。结果表明:浅覆土段双线盾构分别诱发的地表沉降交叠范围较小,地表呈现“ω”形沉降;随着后开挖线盾构掌子面支护力的提高,双线间土体单元在盾构到达前至盾构穿越过程中的强度余量下降更大,更接近塑性;随着后开挖线盾构注浆压力的下降,双线间土体单元在盾尾脱出3环内的强度余量下降更大,更接近塑性;计算结果表明,当后开挖线盾构掌子面支护力相比土压提高50kPa时或盾构注浆压力低至160kPa时,双线间土体单元已接近塑性。

黏土地层大尺寸矩形顶管施工土体沉降及影响规律研究

大矩形顶管施工技术被广泛应用于城市地下空间开发中。通过对顶管隧道开挖的顶进过程进行全程模拟,在充分考虑模拟过程的时空性基础上,提出了大尺寸矩形顶管施工的趋真模拟方法,研究了黏土地层大矩形顶管施工中土体扰动规律及注浆压力、土仓压力等敏感因素对土体沉降的影响。研究结果表明:(1)黏土地层的土体变形对注浆压力更为敏感,对土仓压力不敏感,地表变形曲线随着注浆压力的增大由“U”形沉降槽模式向“M”形变形槽模式转化;(2)建议黏土地层上覆土厚度为8~12 m的情况下进行大尺寸矩形顶管施工,建议注浆压力为0.10~0.15 MPa,土仓压力为0.30 MPa,此时不仅可有效减小土体沉降,同时也不会造成过大的隆起;(3)采取“减少注浆压力,增大土仓压力”的双控调节方法,既可控制隧道轴线处不产生较大沉降,也可保证隧道远侧不产生过大隆起。该研究成果对促进黏土地层大尺寸矩形顶管技术的革新具有重要意义,为城市大尺寸矩形顶管施工技术的应用提供了重要的参考。

梁锚结构加固浅埋隧道洞口软弱地层的承载特性研究

针对隧道洞口埋深浅且软弱围岩稳定性差这一问题,提出在地表增设混凝土框架梁,设置扩大头锚杆与框架梁连接并深入软弱围岩,运用数值模拟分析“混凝土框架梁-扩大头锚杆”结构加固软弱地层后的力学特性。研究结果表明:采用“混凝土框架梁-扩大头锚杆”加固隧道洞口软弱地层,k=0.4时,相比于没有加固对照模型,隧道最大拱顶沉降值下降68.7%,隧道最大边墙收敛值下降15.1%,初期支护最大等效应力减小12.7%;建立不同加固区围岩松动压力分散系数k下的数值模型,通过拱顶沉降结果与加固区围岩松动压力分散系数的线性拟合,提出采用加固结构后的隧道拱顶沉降规律与围岩松动压力计算方法。