Prediction of subsurface settlement induced by shield tunnelling in sandy cobble stratum

This study focuses on the analytical prediction of subsurface settlement induced by shield tunnelling in sandy cobble stratum considering the volumetric deformation modes of the soil above the tunnel crown.A series of numerical analyses is performed to examine the effects of cover depth ratio(C/D),tunnel volume loss rate(h t)and volumetric block proportion(VBP)on the characteristics of subsurface settle-ment trough and soil volume loss.Considering the ground loss variation with depth,three modes are deduced from the volumetric deformation responses of the soil above the tunnel crown.Then,analytical solutions to predict subsurface settlement for each mode are presented using stochastic medium theory.The influences of C/D,h t and VBP on the key parameters(i.e.B and N)in the analytical expressions are discussed to determine the fitting formulae of B and N.Finally,the proposed analytical solutions are validated by the comparisons with the results of model test and numerical simulation.Results show that the fitting formulae provide a convenient and reliable way to evaluate the key parameters.Besides,the analytical solutions are reasonable and available in predicting the subsurface settlement induced by shield tunnelling in sandy cobble stratum.

Water shutoff model test in water-rich sandy stratum by phosphoric acid-water glass grout

The rheological behavior of phosphoric acid-water glass grout in different mixing ratios was studied. Grout made of water glass with Baume degree of 20° and 13.4% phosphoric acid by 1:1 volume ratio is found to be more effective in stopping water. Laboratory model test of water shutoff by grouting was conducted. Test results show that the diffusion length and water cutoff effect of the grout are significantly improved as the grout head is raised, due to the dilution of underground water, and it takes the grout longer than its gel time to cut off water.

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。

富水砂层地铁盾构区间机械法联络通道施工影响

[目的]目前,富水砂层地铁盾构区间机械法联络通道施工对正线隧道及周围土体影响的研究较少,因此有必要对类似工程进行分析。[方法]以某富水砂层地铁盾构区间机械法联络通道施工项目为例,采用ABAQUS有限元软件建立数值模型,对富水砂层中机械法联络通道施工的全过程进行模拟分析,研究机械法联络通道施工对正线隧道及周围土体的影响;将数值计算结果与实际工程监测数据进行对比,验证所提数值模型的可靠性。[结果及结论]由机械法联络通道施工引起的沿正线隧道纵向和联络通道纵向的地面沉降曲线均呈U形,地面最大沉降值为4.60 mm;机械法联络通道施工对正线隧道的变形影响,以竖向变形和沿正线隧道横向的水平变形为主,正线隧道竖向变形最大值为1.08 mm,水平变形最大值为1.28 mm;施工过程中,正线隧道的最大应力会随着联络通道洞门的破除而突然增大,施工完成时,正线隧道的最大应力值为52.54 MPa。实际监测数据表明,拟合后的地面沉降监测数据与数值计算结果的变化趋势一致,验证了数值计算的可靠性。

富水砂层中盾构始发穿越既有地铁线路的结构稳定性研究

[目的]富水砂层地质条件下,新建地铁线路盾构始发穿越既有地铁线路时,对既有地铁线路结构稳定性的研究较为鲜见,需总结类似工程的相关规律。[方法]以新建的郑州地铁7号线黄河迎宾馆站—英才街站区间盾构始发穿越既有地铁2号线结构工程为依托,根据实际工况采用有限元软件MIDAS GTS NX建立了施工区间的三维数值模型,并利用软件的结果提取功能得到了该工程对应模型的模拟结果。选取现场2个监测点位,将2个测点的现场实测值与模拟计算值进行对比,证实了该模型的准确性。在此基础上,进一步研究了盾构始发穿越、一般下穿施工两种穿越方式下对既有地铁线路结构稳定性的影响,以及始发洞门与既有地铁结构间竖向距离d的4个取值对既有地铁线路结构稳定性的影响。[结果及结论]所建三维模型在一定程度上可反映实际工况。在既有地铁线路结构、材料、加固方式等因素均不变的情况下,既有地铁线路结构的稳定性因穿越方式的不同而有所差异,与一般下穿施工相比,采用盾构始发下穿方式时对既有地铁线路结构的影响较小。采用盾构始发下穿方式时,d的取值不同,对既有地铁线路结构稳定性的影响有较大差异。d=2.00 m对既有地铁线路结构的影响较小,工程成本也较小。建议在工程条件允许下采用盾构始发下穿方式,且推荐d值取2.00 m。

富水砂卵石层盾构施工影响因素及敏感性分析

砂卵石地层具有渗透性强、孔隙率大、自稳性差和受扰反应大等特点,若盾构施工参数控制不当则会发生掌子面失稳、坍塌和涌水等安全事故。确定富水砂卵石层盾构掘进引起地表沉降和管片隧道变形的影响因素,对于安全施工具有重要的指导意义。本文以洛阳地铁区间盾构穿越洛河富水砂卵石地层为工程背景,基于流固耦合理论,运用ABAQUS软件构建盾构掘进的三维有限元模型,数值模拟和现场实测的地表沉降数据基本吻合,验证了模型的准确性。采用单因素分析法研究了盾构掘进压力、同步注浆压力和等代层厚度等3个参数对地表沉降与管片变形的影响规律,研究结果表明:增大盾构掘进压力和同步注浆压力,减小等代层厚度,均能减小地表和隧道的拱顶沉降;而增大盾构掘进压力,减小同步注浆压力和等代层厚度,可减小隧道拱腰的水平变形。采用正交试验方法确定了3个影响因素对地表沉降和管片拱顶沉降两个指标的敏感性,从大到小排序均为:同步注浆压力、盾构掘进压力和等代层厚度。

富水砂层土压平衡盾构渣土改良技术研究

富水砂层土体具有流塑性差、渗透性强的特点,土压平衡盾构施工时易造成排土困难和喷涌事故。针对西安地铁10号线穿越富水砂层的土压平衡盾构工程,采用膨润土泥浆和泡沫剂改良盾构渣土,提出了改良渣土流塑性的评价方法,基于其流塑性和渗透性确定最佳改良方案,为工程提供借鉴和参考。结果表明:(1)当改良渣土塌落后无开裂或坍塌、塌落形状为梨形、塌落度为180~210 mm、塌落渣土与地面接触角θ为0°~90°时,流塑性合适,此时改良渣土的渗透系数于90 min内稳定在10-5cm/s,满足工程要求;(2)最佳改良方案为:渣土、膨润土、水三者质量比保持在200∶1∶40~200∶1.5∶44之间,泡沫剂溶液体积比浓度为2%,泡沫注入比为6%。

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明:所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^(3D)数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。

南京地铁7号线中胜站密贴下穿运营站MJS+水平冻结施工与实测研究

为解决南京新建地铁7号线在承压富水砂层近贴下穿既有10号线中胜站开挖时易发生涌砂涌水现象及冻结对既有线变形的影响问题,提出一种全方位高压喷射工法(metro jet system,MJS)+水平冻结法联合加固承压富水砂性地层的施工方法。根据实际工程,确定MJS+水平冻结加固工艺、加固参数、加固范围及冻结的方案,并通过数值模拟方法预测冻结温度场的变化规律、计算开始冻结的合理时间和积极冻结时间。对冻结过程中的土体温度、冻结及开挖过程中的既有车站底板位移进行监测,并在此基础上对暗挖方案进行优化。工程实践表明:1)冻结过程中中部MJS加固体温度一直高于端部MJS加固体温度,应当加强对中部位置温度的监测;2)冻土帷幕范围应控制在MJS加固体范围内,否则土体冻结会对冻胀变形影响较大,为此提出了上部钻孔取土泄压及间歇冻结的方案,可在一定程度上减小冻胀;3)本工程冻结及开挖阶段既有车站结构变形较小,减小了对近贴既有车站结构的影响;4)优化后的暗挖方案可加快施工进度,原开挖时间约80 d,优化后开挖时间缩短至66 d。

砂卵石地层盾构区间地表沉降影响因素聚类分析

为了掌握盾构掘进参数和地质条件对砂卵石地层盾构区间地表沉降的综合影响规律,依托成都地铁某盾构区间,结合团队前期地表沉降与掘进参数的关系,确定了总推力、刀盘转速、螺旋机转速、上覆土层厚度、地下水位、卵石层厚度6种聚类指标,利用K均值聚类算法对各参数指标的实际监测数据进行聚类,综合分析各个指标对地表沉降的影响。结果表明:1)根据K均值聚类结果把监测点即施工地段划分为3种地表沉降风险等级,监测点1—3为危险(Ⅰ级),监测点7—13、16—19、25—34为较危险(Ⅱ级),监测点4—6、14—15、20—24为安全(Ⅲ级)。2)根据聚类结果可知,在特定范围内掘进参数、地层构造与地表沉降之间具有正、负相关性关系。3)通过分析地层构造、掘进参数与地表沉降的关系,得出当上覆土层厚度较大、地下水位较小、卵石层厚度较大时,掘进参数控制范围为总推力29034.00~31181.95 kN,刀盘转速1.25~1.32 r/min,螺旋机转速6.13~6.98 r/min;当上覆土层厚度较小、地下水位较小、卵石层厚度较小时,掘进参数控制范围为总推力34419.89~36867.28 kN,刀盘转速1.44~1.45 r/min,螺旋机转速5.74~6.99 r/min。

基于博弈论与可拓云的盾构掘进安全稳定性评价

为了研究对盾构掘进安全稳定性评价过程中各评价指标间的模糊性、随机性和各个指标的权重问题,选取地面沉降、建筑物沉降、河堤沉降、管线沉降以及管片沉降等监测数据作为评价指标,采用博弈论、层次分析法和熵值赋权法进行了组合赋权,通过可拓云模型计算评价指标的期望、熵和超熵,运用Matlab计算并绘制了各评价指标的云滴图。最后,将博弈论赋权结果与可拓云模型计算结果相结合,构建了盾构掘进安全可拓云综合评价模型,对实际工程案例中19组监测数据进行了安全稳定性评价,并与模糊综合评价结果进行了对比。结果表明:案例中盾构隧道区间安全稳定性评价指标的重要性排序依次为建筑物沉降、管片沉降、地面沉降、管线沉降和河堤沉降;综合评价结果为8个Ⅲ级,4个Ⅱ级,7个Ⅰ级,其中,对于Ⅱ级和Ⅰ级数据组附近需采取相应的预防措施;评价模型能够反映各指标之间的不确定性关系,避免了单一赋权的片面性,相较于模糊综合评判其计算结果更符合客观实际情况。综合上述研究提出了一种基于博弈论理论与可拓云模型相结合的综合评价方法,为盾构施工安全评价提供了新的方法和思路。

富水砂层交叠联络通道冻结设计方案研究

与常规联络通道冻结相比,交叠联络通道的冻结体量大、开挖构筑时间长、冻结孔布置形式更加复杂,其冻结设计与常规冻结设计有明显差异。为实现富水砂层叠落区间联络通道安全高效施工,结合叠落区间交叠联络通道结构形式,进行异型联络通道冻结方案设计。首先,在哈尔滨地铁3号线2期河松街站工程现场取土,并送至冻土实验室进行土体低温物理力学试验,得到-10℃时低温土体物理力学参数,确定粉质黏土-10℃环境下单轴抗压强度为3.53 MPa;根据试验结果进行冻结壁厚度设计,得到通道顶部及侧墙冻结壁厚度为3.0 m,集水井底部冻结壁厚度为4.0 m,平均温度为-10℃。数值计算结果表明,冻结壁强度和位移指标均满足安全要求。根据冻结壁厚度布置冻结孔,提出“地面垂直+洞内水平冻结”加固方式。针对距离建筑物较近的特点,为控制冻胀,采用地面垂直泄压孔与洞内水平泄压孔相结合的方式,施工期间地表最大冻胀量为8.59 mm,对环境影响可控。工程实践表明,采用该设计方案开挖工作面稳定性好,冻胀量可控。

超大直径土压平衡盾构穿越高水压砂性地层土体改良技术研究

超大直径土压平衡盾构全断面穿越砂性地层时,会面临盾构推力及扭矩增大、土仓压力及螺旋机压力不稳、螺旋机喷涌导致开挖面失稳等风险,需要对开挖面土体进行改良。选取泡沫剂作为土体改良材料,通过试验揭示了泡沫剂不同发泡浓度、发泡率与泡沫寿命的关系,并且测定了改良后土体的物理及力学特性,建立了基于发泡材料的改良土体控制方法,形成了高风险开挖面土体改良技术,有效降低了高水压砂性地层盾构穿越施工风险,为同类型施工提供了技术参考。

基于块体离散元法的盾构掘进围岩与管片变形模拟研究

针对有限差分法及有限元法等连续介质数值方法无法模拟砂卵石地层的离散介质属性的问题,基于块体离散元方法,建立离散元模型,模拟盾构穿越砂卵石地层的掘进过程,研究盾构掘进过程中砂卵石地层中块体或颗粒间结构面的位移以及围岩与管片变形;将砂卵石地层等效为连续介质,建立有限差分模型模拟盾构掘进过程,并且对比离散元模型与有限差分模型计算结果之间的差异。结果表明:离散元模型中结构面正法向位移超过0.1 mm的区域主要集中在仰拱处,结构面负法向位移超过0.1 mm的区域位于两侧拱腰处,结构面切向位移超过0.4 mm的区域主要集中在仰拱处;对于围岩和管片的变形,离散元法的计算结果均大于有限差分法,因此采用离散元方法对砂卵石地层中隧道及管片的设计方案进行验证相对更加安全、合理。

砂卵石地层自钻式锚杆锚固性能现场试验研究

为研究自钻式锚杆在砂卵石地层中的锚固性能,开展了18根自钻式锚杆的现场拉拔试验,从极限抗拔承载力、荷载-位移曲线及界面平均粘结强度等方面进行了分析。结果表明:砂卵石地层中自钻式锚杆的极限抗拔力随锚固长度的增加而增大,当锚固长度超过一定数值后,对提高锚杆极限抗拔力的能力有所下降;在破坏荷载前,自钻式锚杆的抗拔荷载–位移曲线基本呈线性,且位移量较小,达到破坏荷载时,位移量急剧增大,荷载–位移曲线出现明显拐点;锚固体–卵石界面平均粘结强度均值为0.14 MPa,高于该地区卵石层推荐的qsk值0.11 MPa,且锚固长度约在2~4 m时,界面平均粘结强度整体处于较高值。

富水砂卵石地层盾构隧道近接下穿运营线路变形特性分析

依托成都地铁19号线双流机场—龙桥路站区间下穿既有运营地铁3号线工程,采用ANSYS数值模拟软件,分析富水砂卵石地层超前管棚支护和洞内深孔注浆联合加固下,盾构穿越施工全过程的地表沉降和既有地铁管片支护结构变形规律,并通过实测数据验证数值模拟的准确性。结果表明:地表竖向沉降符合Peck曲线分布,地表最大沉降2.59 mm,满足下穿施工控制要求;3号线管片保持平稳,竖向位移最大值4.80 mm,左右拱腰虽然在穿越段受开挖扰动,发生较大水平位移,但在穿越后基本恢复;现场实测数据表明联合加固方案可确保盾构施工及运营线路的安全。

注浆法在富水砂卵石地层城市轨道交通联络通道暗挖施工中的应用

[目的]成都地铁19号线二期工程九江北站—龙桥路站区间1#联络通道处于富水砂卵石地层,受周边建(构)筑物位置所限,不宜采用常规方法进行施工,为此需采用不降水法为该联络通道暗挖施工提供无水条件。[方法]根据1#联络通道的工程特点,在对比分析冻结法和顶管法等常规方案的基础上,采用注浆法为该联络通道暗挖提供无水条件。根据富水砂卵石地层的特点,同时受周边建(构)筑物布局的限制,19号线主线隧道内决定采用水平注浆法施工。详细阐述了1#联络通道注浆法施工方案,针对动水条件下砂卵石地层涌水、涌砂,成孔困难,串冒浆等难点,提出相应对策。从可靠性、造价、变形控制及运营维护等方面总结了水平注浆法的优势。[结果及结论]1#联络通道施工完成后,经测试检查孔每米出水量不大于0.13 L/min,达到预期止水要求,满足该联络通道暗挖的无水条件;开挖过程揭示,开挖面基本无渗水,1#联络通道安全贯通。

砂卵石地层泥水盾构废浆二次利用技术研究

为解决泥水平衡盾构施工期间产生的大量废弃浆液难处理和盾构同步注浆高成本的问题,提出将泥水平衡盾构产生的废弃泥浆再利用于配制同步注浆浆液。本研究依托主要穿越地层为砂卵石地层的成蒲铁路紫瑞隧道工程项目,研究浆灰比(废弃泥浆与水泥质量比)、浆砂比(废弃泥浆与砂质量比)对同步注浆浆液的性能影响,另外在废浆再利用配制同步注浆浆液的基础上,研究了用耐火泥替代部分水泥的可行性。研究结果表明:1)随着同步注浆浆液浆灰比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度降低;2)随着浆砂比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度也降低;3)掺入耐火泥将增强同步注浆浆液的28d抗压强度,降低同步浆液流动度,缩短同步浆液凝结时间。因此,在配制同步注浆浆液中,用耐火泥替代部分水泥具有可行性,并能带来一定经济效益。

砂卵石地层中地铁盾构隧道开挖面稳定性离散元数值模拟研究

为了研究砂卵石地层坍塌失稳模式,建立隧道开挖面稳定性的三维颗粒流数值模型。首先将砂卵石土层从松散到致密分为4种情况,并进行参数标定;接着分析埋深比和内摩擦角对隧道开挖面破坏模式、极限支护力等的影响规律;最后,对砂卵石地层中隧道开挖面失稳模式开展研究,并基于数值模拟结果对砂卵石地层中塌落拱的高度进行修正。研究结果表明,(1)内摩擦角越大,支护力受埋深比的影响越明显;不同埋深比下,极限支护力均随着内摩擦角的增大而减小,并且埋深比越大,支护力受内摩擦角的影响越明显。(2)随着内摩擦角的增大,破坏区逐渐减小;在相同内摩擦角下,埋深比大时破坏区范围更大。(3)当埋深比超过1.0时,大部分地层都可以成拱,其破坏区形状为椭球体和旋转抛物面形成的组合体。(4)浅埋情况下,塌落拱无法形成,修正公式与模拟结果误差均在15%以下,修正公式具有一定的适用性。

临河深基坑中超长锁扣钢管桩围堰变形分布研究

锁扣钢管桩围堰由于自身整体刚度大、加工制作简便、回收利用率高等优点,近年来在城市轨道交通的桥梁基础工程施工中广泛应用。为了深入研究临河深基坑中超长锁扣钢管桩围堰的工作性能,以西安市地铁10号线泾河大桥为背景,通过对坑周地表竖向沉降及超长锁扣钢管桩深层水平变形进行监测,分析了临河富水砂卵石层深基坑开挖过程中坑周竖向沉降分布规律及钢管桩深层水平变形分布规律,并研究了临河距离对二者分布规律的影响。结果表明:随着基坑临河距离的增大,坑周竖向沉降分布规律发生改变;锁扣钢管桩均发生朝向深基坑方向的水平位移,曲线均呈“弓”形分布;封底混凝土浇筑后,锁扣钢管桩深层水平变形未发生明显变化,随着临河距离的减小,向河侧锁扣钢管桩水平位移由减幅逐渐变为增幅;不同临河距离的基坑,在开挖初期,锁扣钢管桩深层水平变形分布存在差异,随着开挖的进行,“弓”形趋势愈加明显。该结论可为类似工程提供参考。