Peck公式在雙線盾構(gòu)隧道施工地層變形中的適應(yīng)性分析

首先研究了如何模擬計(jì)算盾構(gòu)隧道施工引起地層變形的主要原理,特別是首次采用了三維法向彈性抗力系數(shù)變化模擬軟土擠入盾尾空隙的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程。在此基礎(chǔ)上,編制了相應(yīng)的三維有限元計(jì)算程序,結(jié)合上海市某重點(diǎn)隧道工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例演算,得到了一些有益于實(shí)際工程施工的結(jié)論。

考慮多因素(土體損失、正面附加推力、盾殼摩擦力、附加注漿力)的作用下,文章首先提出了改進(jìn)統(tǒng)一土體移動(dòng)模型的方法,其次建立了力學(xué)計(jì)算模型,對雙線水平平行盾構(gòu)隧道施工引起的土體變形計(jì)算方法進(jìn)行研究。根據(jù)彈性力學(xué)mindlin解,對多因素中后3個(gè)因素引起的土體變形理論解進(jìn)行計(jì)算,基于統(tǒng)一土體移動(dòng)模型解對土體損失引起的土體變形理論解進(jìn)行計(jì)算,最后疊加得到多因素下總的土體變形理論解。采用該方法對杭州地鐵1號(hào)線的縱向地表沉降、縱向水平位移及不同深度處的土體豎向位移進(jìn)行計(jì)算,研究其變化規(guī)律；同時(shí)對水平位移變化的影響因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:隨深度改變,在最大沉降量附近10~13m橫向范圍內(nèi)的土體沉降會(huì)產(chǎn)生改變；土體水平位移方向隨計(jì)算點(diǎn)和隧道的位置關(guān)系變化而發(fā)生改變；隨著兩隧道間距j的增大,雙線隧道深度附近的土體水平位移減小,地表附近處的水平位移值變化值不大。

依托長沙市軌道交通4號(hào)線阜碧區(qū)間盾構(gòu)工程,對盾構(gòu)近接既有隧道施工地層變形進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究,并在此基礎(chǔ)上分析總結(jié)地層變形規(guī)律,研究結(jié)果表明:監(jiān)測斷面處地層在盾構(gòu)機(jī)靠近時(shí)變形較大、遠(yuǎn)離時(shí)變形較小；靠近隧道軸線處地層沉降較大、遠(yuǎn)離軸線處沉降較??；從地表至地層一定深度,隧道兩側(cè)水平位移均向隧道中心收斂；既有隧道的存在會(huì)增強(qiáng)該側(cè)土體抵抗變形的能力,使得新建隧道兩側(cè)地層變形不均勻。

為預(yù)測盾構(gòu)雙隧道施工周圍土體的變形及襯砌結(jié)構(gòu)管片應(yīng)力規(guī)律,以石家莊地鐵1號(hào)線07標(biāo)段北宋—談固站區(qū)間雙線隧道為工程背景,在考慮各土層材料性質(zhì)及盾構(gòu)施工工藝的基礎(chǔ)上,利用flac3d建立了盾構(gòu)雙隧道的三維精細(xì)數(shù)值模型,研究了盾構(gòu)雙隧道襯砌管片的應(yīng)力規(guī)律,并與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明:盾構(gòu)隧道開挖造成的地層沉降大致沿隧道軸線與水平線夾角45°向地表擴(kuò)散.橫向地表沉降的影響距離距隧道中心約為30m.隨著隧道埋深增加,對應(yīng)地表監(jiān)測點(diǎn)位累計(jì)沉降值變小,與隧道埋深成反比對應(yīng)關(guān)系.隧道附近土體的第一主應(yīng)力存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力集中系數(shù)約為1.3.襯砌管片應(yīng)力分布存在差異性,靠近雙隧道共同擾動(dòng)的管片側(cè)的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯.襯砌管片橫斷面形變以“橢圓化”變形為主,兼有斷面收縮變形.

以廣州地鐵4號(hào)線工程實(shí)例為背景,結(jié)合盾構(gòu)法施工地層變形機(jī)理以及隧道施工的地表橫縱向沉降監(jiān)測結(jié)果,分析總結(jié)了盾構(gòu)隧道施工地表變形規(guī)律,為今后類似近距離下穿越既有線路或建(構(gòu))筑物的盾構(gòu)隧道工程的地表沉降控制提供技術(shù)參考和指導(dǎo)。

隧道施工引起的地層損失所導(dǎo)致的地表沉降變形預(yù)測和控制,是隧道工程領(lǐng)域重要的研究課題之一。以盾構(gòu)隧道開挖引起地表沉降變形為研究對象,采用有限元數(shù)值分析軟件模擬盾構(gòu)隧道施工過程,分析盾構(gòu)隧道引起的土體應(yīng)力場、位移場變化,對比分析不同的地層損失、不同的土體本構(gòu)模型、土體排水和不排水條件下隧道施工引起的地表沉降變形規(guī)律,并進(jìn)行了不同影響因素的敏感性分析。結(jié)果表明,地表沉降槽近似正態(tài)分布曲線,地表沉降的主要影響因素依次為隧道埋深、內(nèi)摩擦角、壓縮模量、粘聚力和泊松比;提出了盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降計(jì)算模型,并采取有針對性的措施來減少地表沉降,減小對周圍環(huán)境的不良影響。

研究目的:巖溶地層中采用盾構(gòu)法施工在國內(nèi)尚屬首次。盾構(gòu)掘進(jìn)中可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)栽頭、陷落,地層大量失水、坍塌,嚴(yán)重差異沉降而致隧道結(jié)構(gòu)破壞等事故。對溶洞的空間分布、大小及充填情況,溶洞處理,盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)措施3個(gè)方面進(jìn)行深入研究,并組織精心設(shè)計(jì)、精心施工,以保證施工及運(yùn)營安全。研究方法:采用多種勘查手段分析巖溶地層,充分注重盾構(gòu)機(jī)及盾構(gòu)施工的特點(diǎn),比選、優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案。研究結(jié)果:順利完成巖溶段盾構(gòu)隧道施工,驗(yàn)證了勘查及加固方案,填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。研究結(jié)論:綜合運(yùn)用多種探測方法對探明溶洞的分布很有成效;根據(jù)盾構(gòu)施工特點(diǎn)制定地層加固方案并有效實(shí)施以及對盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行針對性的改進(jìn)并采取相應(yīng)的掘進(jìn)技術(shù)措施都是適宜的。

城市地鐵區(qū)間修建過程中,盾構(gòu)隧道開挖對鄰近既有構(gòu)(建)筑物擾動(dòng)的影響是一個(gè)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題.針對某城市雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿鐵路橋梁樁基且下穿城市道路u型槽工程,采用三維數(shù)值仿真模擬技術(shù),研究了盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基的影響.研究結(jié)果可為城市軌道交通盾構(gòu)隧道的安全穿越以及下穿段既有構(gòu)(建)筑物的監(jiān)控量測提供了依據(jù).

研究隧道施工引起上覆不同深度處的地層沉降變形對分析城市地鐵隧道施工對鄰近建(構(gòu))物的影響意義重大.考慮隧道施工地層擾動(dòng)變形由下向上逐漸變形的特點(diǎn),基于peck法的沉降槽寬度與隨機(jī)介質(zhì)理論中地表影響半徑關(guān)系,由下向上逐步分析隧道上覆各埋深地層的沉降變形；考慮各地層土性質(zhì)、厚度和隧道半徑對沉降槽寬度造成的影響,求得沉降槽寬度在地層各深度處的表達(dá)式；討論了隧道上覆地層土性參數(shù)、成層土厚度和隧道開挖半徑對地層沉降變形的影響,分析表明:地層的沉降槽寬度主要取決于該地層與隧道開挖面之間的覆土性質(zhì)和厚度,與隧道半徑也有很大關(guān)系；地層土的性質(zhì)、厚度和隧道半徑?jīng)Q定了地層的沉降范圍,而地層損失決定了地層沉降量大小.隧道半徑越大,沉降槽寬度越大；覆土的內(nèi)摩擦角越小,沉降槽的寬度越小,地層沉降曲線越窄.

盾構(gòu)法施工不同于常規(guī)施工方法(如淺埋暗挖、礦山開挖等),由于其特有的施工工藝使盾構(gòu)法施工時(shí)引起的應(yīng)力重分布及深層土體變形較常規(guī)方法有所不同,盾構(gòu)隧道施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)、盾構(gòu)機(jī)外殼與圍巖之間的相互作用、盾構(gòu)機(jī)通過、盾尾注漿與二次注漿等幾個(gè)施工階段都會(huì)擾動(dòng)周圍的圍巖,這些施工擾動(dòng)在試驗(yàn)研究中比較復(fù)雜。針對隧道施工引起的地層變形問題,各學(xué)者在理論和工程實(shí)踐中做了許多研究,是在理論方面對盾構(gòu)隧道

上海外高橋電廠是我國目前單機(jī)容量最大的火力發(fā)電廠,兩條取水隧道是二期工程的一個(gè)重要項(xiàng)目,但由于其所處地理位置的影響,使得設(shè)計(jì)上取水隧道之間距離較小,施工過程中必須進(jìn)行同步監(jiān)測。文中詳細(xì)介紹了監(jiān)測方案的實(shí)施過程,分析了隧道內(nèi)力、隧道斷面收斂變形、接觸壓力等隨工程施工的變化規(guī)律,保證了取水隧道工程施工的順利進(jìn)行。

運(yùn)用大型有限元分析軟件abaqus對雙線盾構(gòu)隧道下穿管線的施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了四種不同施工工況對既有管線的影響,得到了雙線盾構(gòu)隧道下穿管線時(shí)比較理想的施工工況以及一些對實(shí)際工程有益的結(jié)論。

通過對軌道交通1號(hào)線望春橋站—澤民站區(qū)間盾構(gòu)施工地表沉降測試,分析了寧波軟土盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降規(guī)律,進(jìn)而采用peck公式、celestino法、vorster法、sagaseta法、loganathan&poulos法、chi法、park法、yoshikoshi法、verruijt&booker法、loganathan法對橫向地表沉降,采用sagaseta法、修正sagaseta法、yoshikoshi法、修正yoshikoshi法對縱向地表沉降分別進(jìn)行擬合分析,結(jié)果表明:在寧波軟土地層條件下,監(jiān)測斷面4d范圍內(nèi)的地表沉降發(fā)展較快,沉降變化速率較大;peck公式、celestino法、vorster法、chi法、yoshikoshi法及l(fā)oganathan法對橫向地表沉降擬合效果較好,縱向地表沉降宜采用修正yoshikoshi法和修正sagaseta法,為寧波以軌道交通盾構(gòu)隧道施工地表沉降控制提供依據(jù)。

以上海某鄰近雙線盾構(gòu)隧道的基坑工程為背景,運(yùn)用有限元方法計(jì)算,模擬基坑開挖的不同階段,分析了不同工況下基坑變形、受力及對盾構(gòu)隧道的影響,并對不同施工方式進(jìn)行了對比分析.分析結(jié)果表明:施工內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)有利于控制盾構(gòu)隧道上浮和受力;支撐的拆除對坑底及下方隧道的變形和受力影響較小.研究結(jié)論可為類似工程提供借鑒與參考.

首先對比分析當(dāng)前沉降槽寬度的計(jì)算方法,優(yōu)選出o＇reilly＆new經(jīng)驗(yàn)公式。然后通過成都地鐵7號(hào)線現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)對o＇reilly＆new經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正,得出地表沉降最大值,繪制沉降曲線,從而達(dá)到預(yù)測地表沉降的目的。經(jīng)成都地鐵3號(hào)線的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證,修正后的經(jīng)驗(yàn)公式能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出沉降槽寬度,適用于砂卵石地層盾構(gòu)隧道地表沉降的預(yù)測。

以南京地鐵玄武門—新模范馬路區(qū)間隧道盾構(gòu)施工工程為背景,使用flac3d軟件在考慮盾構(gòu)隧道施工中的開挖、排土、襯砌等步序的前提下,進(jìn)行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對地層變形影響的三維數(shù)值模擬.結(jié)果表明,在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中,地層沉降具有明顯的時(shí)間效應(yīng)；地表沉降量隨之逐漸增大；地層橫向沉降變形隨著地層埋深的增加,最大沉降值逐漸增大,沉降槽寬度逐漸減小；地層沉降歷時(shí)曲線呈現(xiàn)出反\"s\"形.

本文根據(jù)天津市區(qū)至濱海新區(qū)快速軌道交通工程中山門西段szm標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間工程的實(shí)際觀測數(shù)據(jù),確定了適用于天津地區(qū)的peck公式以及縱向沉降的指數(shù)公式的參數(shù)取值范圍,并利用確定參數(shù)后的公式對地面沉降進(jìn)行了預(yù)測和實(shí)際的沉降觀測,對比結(jié)果顯示,參數(shù)的確定基本準(zhǔn)確,經(jīng)過修正后的公式可以用于天津地鐵施工的地面沉降的預(yù)測。

研究目的:探明盾構(gòu)隧道施工中各制約因素取值差異對地表沉隆變位分布規(guī)律的影響。研究方法:本文以某擬建地鐵城市區(qū)間盾構(gòu)隧道試驗(yàn)段為研究對象,引入荷載釋放系數(shù)和縱向等效剛度系數(shù),采用三維有限元法對盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降槽和縱向沉隆曲線進(jìn)行了研究。研究結(jié)果:揭示了圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素變化對盾構(gòu)隧道施工引起地表沉隆變位的影響,運(yùn)用三維曲線探討了盾構(gòu)隧道施工過程中的地表沉隆變位曲線空間分布變化規(guī)律。研究結(jié)論:圍巖條件惡化、隧道埋深減小和頂推力增大都將導(dǎo)致施工引起地表沉隆變位影響的加劇,建議工程施工中采取調(diào)整頂推力等措施以降低施工對地表環(huán)境的影響。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步,地鐵已經(jīng)逐漸成為發(fā)達(dá)城市的重要交通要到,在一定程度上緩解了交通壓力.在城市地鐵建設(shè)中,最常用的方法是盾構(gòu)法施工.盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)的能夠不間斷的進(jìn)行掘進(jìn),而且掘進(jìn)進(jìn)度比較穩(wěn)定,能夠在軟弱土層進(jìn)行施工.但是由于盾構(gòu)法施工過程中,刀盤與盾體、盾體與管片存在間隙,在同步注漿無法及時(shí)跟上的情況下,容易造成地表沉降.因此,在地鐵建設(shè)中必須要加強(qiáng)對沉降的觀測,并加以控制.在為城市地鐵隧道進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí),由于施工環(huán)境能很大程度上避免施工影響,因此要嚴(yán)格控制地表沉降,保證施工質(zhì)量.

依托廣州已建某換乘車站的大斷面隧道中洞法施工工程背景，進(jìn)行了車站隧道中洞施工期間的地表沉降、洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖位移變形監(jiān)測，分析了淺埋隧道中洞法暗挖施工過程中的各部位變形特征，對施工中出現(xiàn)的變形問題進(jìn)行了深入的原因分析，在此基礎(chǔ)上提出了針對性的施工控制技術(shù)措施，為復(fù)雜條件下大斷面隧道中洞法開挖的安全施工提供了技術(shù)保障。

本文通過建立有限元模型計(jì)算地鐵重疊盾構(gòu)隧道的變形,并分析了上下隧道的施工順序、盾構(gòu)隧道凈距、土體加固措施等因素對變形的影響,得到以下結(jié)論:先上后下、先下后上對地面沉降影響很小,先下后上施工順序中下部隧道會(huì)上浮,先上后下施工順序中上部隧道會(huì)沉降;盾構(gòu)凈距越大,先下后上施工順序中下部隧道的上浮量越小;采用注漿加固措施能有效減少下部隧道上浮量。

目前,中國城市地鐵建設(shè)欣欣向榮,城市地下鐵道往往不以單孔隧道形式出現(xiàn),大多數(shù)采用水平雙孔平行隧道,在盾構(gòu)施工推進(jìn)時(shí),施工方式不同,對周邊環(huán)境的影響也就不同。本文以某城市地鐵平行盾構(gòu)推進(jìn)為實(shí)際工程背景,分析比較了四種不同施工方案所引起的地表沉降量,尋求其變化規(guī)律,為今后地鐵設(shè)計(jì)及施工給予一定的指導(dǎo)。