Surface settlement induced by horizontal directional drilling

Horizontal directional drilling(HDD)is a widely used trenchless method for underground utility connections.The associated ground settlement triggered by HDD depends on the size,types,and surface texture of pipe,diameter of borehole,and soil conditions.The pre-sent study investigates the surface settlement due to the construction of a 1067 mm diameter HDD,which will replace an existing sewer siphon under the SR-60 highway in Chino,California using empirical,and numerical methods.Based on the results obtained from the subsurface investigation,an empirical analysis was conducted first.followed by numerical modeling of the HDD using PLAXIS 2D soft-ware.A careful comparison between two different methods indicated closer values of surface settlement between the empirical method(7.3 mm)and the numerical modeling(4.6 mm).In addition,the shape of surface settlement and horizontal settlement curves for the empirical and numerical methods was found to be similar.The minor discrepancy between the two methods resulted as the numerical model can host several soil layers whereas the empirical equation can use only one type of soil.Finally,a parametric study was conducted to evaluate the effect of borehole cover depth,size,and soil parameters on surface settlement.It was observed that soil strength param-eters yielded a greater effect on surface movement,whereas modulus of elasticity has a relatively smaller influence with zero contribution from Poisson’s ratio.

盾构法隧道开挖面稳定性下的多目标优化研究

盾构法隧道开挖过程中开挖面稳定性保持非常重要,开挖面稳定性下提升工程进度、保障工程质量等目标具有重要的工程意义。目前,针对开挖面稳定性下的多目标优化控制的研究不足。选择掘进效率作为工程进度的指标,选择掘进过程引起的最大地表沉降作为工程质量指标。采用分层序列法和NSGA-II多目标优化算法,将盾构开挖面稳定作为第一层优化目标,工程进度与工程质量作为第二层优化目标,研究盾构开挖面稳定下多目标优化。在一段连续穿越堤坝、空地、敏感建筑三个场景的施工隧道中应用本研究方法,结果表明,优化后的盾构推力维持在上下限区间内,提高了施工效率和减少了地表沉降。本文方法能够根据实际工况自适应的调整和优化控制策略,提高了在实际工程中的适应性和灵活性。为类似盾构隧道工程提供了参考和指导。

高速铁路隧道下穿尾矿库开挖安全稳定研究

尾矿库是防止环境污染的重要环保设施,一旦发生渗滤液渗漏、溃坝等,后果极为严重。当隧道从下方穿越尾矿库时,对尾矿库安全稳定存在一定影响。依托粗铅、电锌及渣综合利用工程的配套尾矿库旁大羊山隧道穿越项目,开展隧道开挖方式及尾矿库堆载对于尾矿库安全稳定的研究。经地质预报和监控量测分析,在离尾矿库较远处隧道采用控制爆破开挖,近接范围内采用机械开挖。利用数值模拟软件FLAC 3D,分别建立隧道机械开挖数值模型与尾矿库三维数值模型以分析隧道机械开挖及尾矿库堆渣对地表沉降影响。结果表明,隧道开挖造成的地表沉降对尾矿库最大影响约2.08 mm,尾矿库堆渣本身造成的地表沉降约10 mm,隧道开挖造成的地表沉降值小于尾矿库堆渣造成的地表沉降值。因此,隧道开挖不会对尾矿库安全造成影响。

基于随机场理论的隧道开挖后地表及隧道变形分析

天然土体由于受到多因素的影响,土体参数存在着内在的不确定性。为了更好地反映实际土体参数的分布情况,基于随机场理论,在考虑黏聚力和内摩擦角空间变异性的情况下,利用乔列斯基分解和随机有限元模型相结合的方法,对地表和隧道变形进行分析。研究结果表明:地表沉降曲线簇的波动范围随着黏聚力和内摩擦角相关距离的增大而增大,其竖直相关距离对地表沉降变形的影响更明显;黏聚力和内摩擦角的变异系数对地表沉降变形的影响强于其相关距离对地表沉降变形的影响;隧道变形值的分布随着黏聚力和内摩擦角变异系数的增大而逐渐离散,其中内摩擦角变异系数对隧道变形值分布的影响更明显;不考虑黏聚力和内摩擦角的空间变异性将偏小地预测地表沉降和隧道变形,使设计偏于危险。

基坑地表沉降的偏态分布函数应用

城市深基坑工程施工不可避免会引起周围地层变形尤其是坑外地表沉降,而过大的地表沉降会对周围建(构)筑物造成严重威胁,因此有必要开展基坑地表沉降方面的研究。针对目前在基坑地表沉降变形表征函数和表征指标方面研究的不足,利用偏态分布函数描述坑外地表沉降规律,并对沉降曲线的变形表征指标进行研究,形成一套适用于地表偏态沉降形式的变形表征指标体系,继而提出坑外地表沉降的偏态分布函数预测方法。在此基础上,依托2个工程实例,验证偏态分布函数及其指标体系和预测公式的适用性,主要得到了以下结论:利用偏态分布函数来描述坑外地表沉降曲线更为合理;结合沉降曲线包络面积、最大地表沉降及其位置等指标,提出以显性表征指标和隐性表征指标为核心的坑外地表沉降曲线表征指标体系;利用偏态分布函数展开回归分析和预测研究,发现地表沉降曲线与实测数据总体上较为接近,说明偏态分布函数在基坑地表沉降研究中的合理性和适用性。

基于响应面试验设计的深基坑降水开挖地表沉降特性

受降水与开挖作用的共同影响,基坑周边土体会持续发生地表沉降变形,对基坑稳定以及周边环境都产生显著影响。为厘清基坑工程降水开挖过程中地表沉降的影响工况因素,并在此基础上建立经验模型,选取杭州地区典型江河阶地二元结构地层组合的深基坑为案例,开展了系统研究。首先,基于降水开挖作用下的土体变形机理,结合变形实测数据,提出了一种结合摩尔库伦(MC)与修正剑桥(MMC)本构关系开展基坑降水开挖沉降过程的数值分析方法。进一步采用响应面试验设计方法(RSM),考虑多种工况因素及其交互作用,建立了研究区内二元地质结构条件下基坑降水开挖地表沉降的经验模型,并分析了地表沉降分区特征。结果表明,地下水位降深(H_d)对地表沉降影响最为显著,其次为地下连续墙深度(H_w)与开挖宽度(B),其中B与H_d交互作用也较为显著。据此建立的回归模型可以较为准确地预测地表最大沉降量。本研究不仅为类似地层条件的基坑工程提供了经验模型,也为基坑设计、施工和监测提供了实用框架,对有效控制基坑及周边环境的沉降变形具有重要价值。

盖挖法基坑开挖对临近桥梁桩基的影响研究

城市交通建设往往临近既有建筑结构,为了掌握盖挖法深基坑开挖对临近桥梁桩基的影响,依托之江路输水管廊及道路提升工程,建立数值模型并对工程现场展开监测,分析对比了基坑开挖导致的围护结构变形及桥桩变形规律。结果表明:围护结构最大位移出现在基坑北侧坑中坑开挖后,为6.14mm,最大位移深度随基坑开挖而下移,且坑中坑开挖完成后,其对侧围护结构变形反而减小,坑中坑开挖布置在敏感结构对侧时对临近结构具有一定控制效果;桥梁桩基最大沉降出现在首道混凝土支撑安装后,但随基坑开挖而逐渐减小,盖挖造成的沉降主要水平影响范围距围护结构约为12.71m,对邻近桥桩的影响主要发生在基坑开挖的早期阶段,各项变形均在安全范围内,且不均匀沉降控制效果明显。

露天矿边坡开挖卸荷与孔隙水压力消散诱发地表沉降规律研究

本文通过理论分析结合数值模拟的方法对露天矿边坡因开挖卸荷与孔隙水压力消散诱发的地表沉降进行了计算分析,获得了两种因素共同影响下的露天矿边坡坡顶的沉降规律。发现开挖卸荷诱发的露天矿边坡沉降较为均匀,孔隙水压力消散则更容易诱发露天矿边坡的不均匀沉降。通过对理论模型计算结果、数值模拟结果及现场施工过程中的监测结果进行对比发现,计算结果与实际监测结果在沉降趋势及沉降量上均具有较好的一致性。研究成果对推动露天矿边坡沉降理论和数值模拟的实践应用有一定的参考价值。

降水开挖作用下地铁基坑变形的三维数值分析

为研究地铁基坑施工过程中,不同特征位置处的基坑变形响应差异,本文以某地铁车站基坑工程为研究背景,利用数值计算软件建立3D数值模型进行模拟分析。模拟值与实测值吻合良好,验证了数值模拟的准确性。在此基础上考虑不同施工工况及开挖深度,分析标准段和端头井位置处基坑地连墙侧移和地表沉降的变化规律。结果表明:地连墙侧移形式均为“鼓肚”型,地表沉降形式均为“凹槽”型;相较于标准段,端头井位置处的基坑地连墙侧移和坑外地表沉降均更小;相较于降水开挖,干砂开挖引起的基坑地连墙侧移和坑外地表沉降均更小;随着开挖深度的增大,基坑地连墙侧移和坑外地表沉降均显著增大。

深大异形基坑施工方案可行性的模拟验证

考虑到项目施工对毗邻建筑的影响,以及基坑开挖时对其周边已开挖基坑引起的地表沉降叠加效应,验证方案的安全性、可行性,以江苏省南京市惠民大道项目为例,应用有限元模拟软件MIDAS模拟项目方案的可行性及周边基坑的叠加影响,验证了方案的可行性,为后续基坑的施工方法提供参考。

地铁深大基坑开挖对临近双曲拱桥的影响分析

文章以南京地铁S8号线某地铁车站为背景,针对地铁车站基坑开挖对临近双曲拱桥变形规律进行研究。重点研究了不同厚度地下连续墙、MJS施工加固等对双曲拱桥的变形影响,通过各项监测数据分析表明:MJS施工期间双曲拱桥的变形总体小于围护结构期间桥墩沉降;基坑本身及临近双曲拱桥变形主要集中在基坑开挖阶段;基坑回筑期间对双曲拱桥变形影响微乎其微,变形规律符合基坑开挖对周边环境变形影响,通过信息化监测可较好地指导施工,可为类似实际工程提供参考。

砂卵石地层隧道施工围岩稳定性影响研究

砂卵石地层隧道开挖往往面临对地层的扰动和开挖面稳定难以控制的难题,严重威胁着隧道的施工安全。在这类土石混合体的地层中岩土体自身结构及属性控制着隧道变形及地表沉降,该文依托广州某隧道工程,采用室内试验和数值模拟的手段研究了砂卵石层含水率和含石量对围岩抗剪强度的影响规律。利用离散单元法分析了不同含水率下,隧道开挖引起的掌子面影响范围和地表沉降规律。研究结果表明,砂卵石层围岩抗剪强度随着含石量的增加而增大,但是跟含水率呈反比关系,且当含水率大于15%和含石量大于50%时,抗剪强度变幅显著。随着砂卵石层含水率的增加,隧道开挖时掌子面围岩的影响范围和隧道顶部的最大地表沉降也逐渐增大。研究成果可为砂卵石地层隧道施工开挖提供理论参考。

高层房屋建筑深基坑施工技术研究

采用排桩进行基坑支护可以显著提高基坑边坡的安全性及稳定性。但基坑开挖深度对地表沉降及桩身位移的影响规律尚不清楚。基于此,文章采用Midas GTS软件建立数值计算模型,对不同开挖深度工况下基坑地表沉降及桩身位移的发展演化规律进行研究。结果表明:基坑开挖对地表沉降的影响可以分为显著影响区域、微弱影响区域及无影响区域;随着距离基坑边缘距离的增加,地表沉降先增大后减小,距基坑边缘1倍基坑深度的范围内,地表沉降最大,因此基坑施工过程中主要监测1倍基坑深度的范围内的地表沉降;在锚固段范围内,桩身位移随着桩身高度的增加并不发生显著变化,桩身高度超过基坑底面后桩身位移快速增大,在距桩顶1/3的范围内,桩身位移随着桩身高度增加而增大的趋势减缓;随着桩身高度的增加,桩身位移逐渐增大,当开挖深度分别为5 m、15 m、20 m时,桩身位移最大值分别达到了6.2 mm、14.8 mm、17.8 mm,均满足规范要求。研究结果可为排桩支护结构的设计及施工提供参考。

四孔小净距隧道施工顺序优化研究

随着我国高等级公路的发展,公路隧道建设规模越来越大。由于受到某些地形地质条件的限制,出现越来越多的小净距群洞隧道,如四孔小净距隧道。四孔小净距群洞隧道最优施工顺序的确定对控制施工安全和工期具有重要意义。基于某市配套道路(一期)隧道段新建工程,采用ABAQUS有限元软件对小净距群洞隧道开挖顺序进行模拟,对地表沉降、围岩变形及塑性区演变进行分析,结果表明:先开挖两侧人行隧洞再开挖中间车行隧洞的施工方案为最优方案。

滨海土岩地层浅埋暗挖车站临时支撑拆除优化分析

以滨海地区某地铁暗挖车站初支拱盖法开挖为例,采用有限元数值模拟方法对临时支撑拆除方案进行分析,并结合实测数据进行验证。结果表明:围岩沉降最大值位于拱顶部位,两侧拱腰附近的位移量小于拱顶,围岩表现出明显的收敛性;最后拆除与拱顶连接的竖撑对控制拱顶初支沉降效果较好,且在拆除过程中可保证横撑与竖撑有连接部分;优化后的拆除方案考虑二衬施作,下部竖撑采用间隔拆除的方法,拱脚二衬对拱盖上部围岩提供支撑保护作用,可控制拱顶附近发生过大沉降;拆撑时应加强监测,现场实测数据可见采用优化后的拆除方案,地表沉降、拱顶沉降与净空收敛变化趋势较为稳定。

基于实测数据的隧道地表沉降Peck经验参数研究

研究目的:地下工程施工诱发的地表沉降预测模型及参数,不仅与施工方法密切相关,更因区域地质条件的变化而具有很大的局限性。为精确获得暗挖隧道地表沉降的Peck模型经验参数,依据北京地区大量岩土工程勘察报告所揭示的不同区域地层岩土力学参数进行区域划分,基于不同区域矿山法和盾构法工程地表沉降监测大数据,利用理论计算与回归分析方法,对Peck公式预测模型参数(沉降槽宽度参数K及地层损失率Vl)进行大量的反演分析,获得不同区域典型地质条件下的经验参数,给出精确参数的取值范围,从而为本地区及类似地质条件下的暗挖工程地表沉降变形预测及工程安全风险管控提供技术支持。研究结论:(1)北京西部砂卵石地层、中部中粗砂地层、东部黏性土地层的暗挖隧道地表沉降Peck公式预测参数的取值范围如下:盾构法隧道沉降槽宽度参数K分别为0.32~0.44、0.34~0.51、0.48~0.73,地层损失率Vl分别为0.60%~1.24%、0.83%~1.38%、1.28%~2.52%;(2)西、中、东部区域矿山法隧道地表沉降Peck公式参数适宜的取值范围如下:沉降槽宽度参数K分别为0.29~0.44、0.47~0.61、0.59~0.70,地层损失率Vl分别为0.97%~1.51%、1.13%~1.90%、1.65%~2.00%;(3)本研究成果可应用于类似地质条件下的暗挖工程领域地表沉降的变形预测。

三洞盾构开挖顺序对地表沉降和管片变形影响

为探究三洞盾构隧道的开挖顺序对地表沉降和管片收敛产生的影响,本文以南通地铁1号线隧道建设为工程背景,采用FLAC3D软件模拟三洞并行盾构隧道在“右-中-左”“中-右-左”和“左-右-中”3种工况下的掘进过程,分析其引起的地表变形规律及先行洞管片变形规律。对于地表变形规律,研究发现,不同开挖顺序引起的沉降槽宽度基本相同,但引起的地表最大沉降值存在差异,3种工况引起的地表沉降由大至小排序为:工况2>工况1≈工况3。对于管片变形规律,不同开挖顺序引起的隧道变形均由标准的圆形变为上下扁、两端宽的椭圆形,但偏移过程及最终管片收敛值存在差异,3种工况引起的先行隧道变形由大至小排列为:工况3>工况2≈工况1。数值模拟结果表明当采用工况1“右-中-左”施工顺序,即3条隧道依次顺序施工时,引起的地表最大沉降值和管片收敛偏移值较小,能够有效保障隧道施工安全,建议在实际施工过程中优先选择该开挖顺序。数值模拟得到的最大沉降值为-11.8 mm,通过Peck公式预测的最大沉降值为-11.1 mm,与实测拟合数据拟合得到最大沉降值-11.63 mm相比误差分别为1.46%和4.78%。

低岩跨比软岩地铁隧道上覆管线变形规律

为科学预测低岩跨比条件下软岩地铁隧道开挖后上覆岩土层及其管线的变形规律,针对隧道上覆岩层与土层客观移动规律的差异,考虑开挖时隧道围岩的施工扰动,构建低岩跨比隧道上覆岩土层的“类双曲”移动模型,据此提出地表沉降槽宽度的计算式,并基于Hoek-Brown强度准则给出隧道上覆地层损失率的确定方法,在此基础上运用弹性地基梁理论分析隧道上覆管线的变形规律。以南宁某上覆排水管、天然气管和给水管3种不同材质管线的地铁区间隧道工程为例进行验证。结果表明:地表沉降槽宽度随上覆岩层厚度增加而减小,随上覆土层厚度增加而增大;管线竖向挠曲位移、转角、弯矩及剪力与扰动程度正相关;管线转角、弯矩及剪力随其埋深和管隧夹角增加而增大,但竖向挠曲位移却随管隧夹角增加而减小;各管线沉降区域均主要集中于距隧道中轴线12 m范围内,竖向挠曲位移理论计算与现场监测结果误差均小于10%,且对天然气管和给水管的预测精度更高。

考虑非共轴性的隧道开挖引起的地表沉降数值分析

为研究与主应力旋转密切相关的土体变形非共轴性对隧道工程数值变形分析结果的影响,采用考虑土体变形非共轴性的本构模型对隧道开挖引起地表沉降的问题开展有限元分析。首先,在考虑双曲硬化法则的Drucker-Prager模型中引入角点型非共轴流动法则构建非共轴模型;然后,推导该模型的半隐式应力更新算法的理论迭代格式,并编写相应的用户材料子程序UMAT,从而将该模型在ABAQUS/Standard分析模块中进行数值实现;最后,建立平面应变条件的隧道开挖有限元模型,分析考虑非共轴性的主应力旋转对隧道开挖的影响规律。分析结果表明:1)隧道开挖会在隧道腰部发展出2条交叉的塑性带,分析模型中非共轴塑性模量越小,塑性带延伸越远;2)随非共轴模量的减小,开挖面周围土体主应力旋转的区域和程度变大;3)本构模型的非共轴效应越强,隧道开挖引起的最大地表沉降值越大,地表沉降曲线的沉降槽越深;4)隧道收敛变形中,顶部和侧面向隧道内收敛变形的程度会随模型非共轴塑性模量的减小而增大。

连拱隧道下穿既有高速公路管幕法施工技术研究

新建隧道下穿城市既有道路,当埋深较浅时,上部道路很容易因沉降过大而导致路面结构开裂,甚至破坏等问题,因此研究隧道的施工技术是非常必要的。以西安市开元路至建元路下穿通道项目为依托,在连拱隧道施工过程中采用有限元软件模拟管幕法支护对隧道结构、围岩稳定性及上部道路路面沉降的影响。主要结论如下:(1)新建连拱隧道围岩竖向最大位移为7.4 mm,满足规范要求,隧道结构安全可靠;(2)采用管幕法施工时,路面沉降最大值仅为4.39 mm,说明管幕法开挖连拱隧道下穿既有城市道路是可行的;(3)采用管幕法施工隧道二衬最小安全系数为2.05,大于规范最小安全系数,衬砌结构安全可靠。综上可见,采用管幕法作为超前支护措施,连拱隧道下穿既有城市道路对上部路面影响较小,施工安全风险较低。