地鐵重疊隧道上覆地層變形的數(shù)值模擬

為探測(cè)城市地鐵隧道施工期地層病害情況,文章選用瑞雷波勘探方法進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)過(guò)程中,通過(guò)避開(kāi)環(huán)境噪聲高峰期、加強(qiáng)檢波器與硬地表耦合質(zhì)量等方式來(lái)增大信噪比,并對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬退火反演計(jì)算。該方法具有能減小初始模型影響、避免陷入局部最優(yōu)解等優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐表明,瑞雷波法探測(cè)結(jié)果與低頻探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果、鉆孔取芯及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工日志等資料相對(duì)比,其異常位置吻合率較好。

軟土地層近距離上穿既有隧道變形的數(shù)值模擬——針對(duì)上海市某地鐵隧道近距離上穿運(yùn)營(yíng)中的地鐵二號(hào)線，二者最小凈間距為1．33m，通過(guò)三維數(shù)值模擬得到在新隧道推進(jìn)過(guò)程中，地鐵二號(hào)線和地表都表現(xiàn)為隆起，二號(hào)線最大隆起量為7．29mm，地表最大隆起量為16mm；地鐵...

以天津地鐵一號(hào)線工程為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中地表的變形規(guī)律和隧道周圍土體的擾動(dòng)規(guī)律。利用有限元程序abaqus的單元生死技術(shù)模擬盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程,并對(duì)工程盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好。

第27卷增1巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)vol.27supp.1 2008年6月chinesejournalofrockmechanicsandengineeringjune，2008 收稿日期：2007–06–14；修回日期：2007–07–19 基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2006aa11z119) 作者簡(jiǎn)介：張成平(1975–)，男，1999年畢業(yè)于北方交通大學(xué)交通土建工程專業(yè)，現(xiàn)為博士研究生、講師，主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與 研究工作。e-mail：zcpmail@sina.com 淺埋暗挖重疊隧道施工引起的地層變形分析 張成平，張頂立，王夢(mèng)恕，黃俊 (北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京100044) 摘要：重疊隧道施工必然發(fā)生相互影響，產(chǎn)生諸如地表沉降難于控

地鐵施工誘發(fā)地層環(huán)境損傷的眾多問(wèn)題中,地層沉降的預(yù)測(cè)與控制是急待深入研究的重要課題。為此,研究開(kāi)發(fā)出了地鐵隧道沉降預(yù)測(cè)(stsp)系統(tǒng);給出了隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)測(cè)隧道施工誘發(fā)地表橫向和縱向變形的計(jì)算公式;基于最優(yōu)化理論的共軛方向加速法,研究了地鐵隧道施工引起地面沉降的peck法與隨機(jī)介質(zhì)法各自的多參數(shù)反分析方法;并將理論公式與反分析法編程實(shí)現(xiàn);實(shí)例分析證明了理論方法與程序系統(tǒng)的科學(xué)性和可靠性.

根據(jù)施工過(guò)程動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理,以地表沉降作為目標(biāo)函數(shù),建立地鐵隧道突變大斷面施工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,尋找最優(yōu)施工方法。以北京地鐵五號(hào)線突變大斷面為例進(jìn)行研究,結(jié)果表明,數(shù)值模擬計(jì)算的地表沉降在可控范圍之內(nèi),對(duì)施工起到了超前預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)作用。研究結(jié)果為控制地表沉降及圍巖變形采用有效的施工措施提供了可靠的依據(jù)。

以無(wú)錫地鐵某盾構(gòu)隧道區(qū)間穿越既有鐵路隧道為工程實(shí)例,基于ansys數(shù)值軟件建立3維力學(xué)模型,從盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的盾構(gòu)推力、注漿壓力、施工工況、相鄰隧道間距4個(gè)方面對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的既有鐵路隧道的結(jié)構(gòu)變形和受力規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析了既有隧道變形的機(jī)理和影響因素。

以具有淺埋、偏壓、近距離不對(duì)稱重疊于下部既有小凈距隧道等特征的雅山連拱隧道為工程背景,借助數(shù)值模擬手段,分析偏壓近接重疊條件下連拱隧道正洞采用\"先深后淺\"及\"先淺后深\"兩種開(kāi)挖工序下的施工力學(xué)形態(tài).通過(guò)比較兩工序中連拱隧道圍巖和既有小凈距隧道襯砌的變形情況、中隔墻變位和受力情況,可知兩開(kāi)挖工序中,連拱隧道圍巖變形基本一致,豎向沉降和水平位移值分別以右側(cè)深埋正洞拱頂和淺埋左側(cè)正洞與中導(dǎo)洞相交處為最大,其值分別達(dá)到3.19mm和1.17mm;淺埋偏壓條件下,中隔墻自澆筑成型即處于小偏心受壓,但其初始傾斜變位因正洞的開(kāi)挖而逐步得到撥正;連拱隧道巖體開(kāi)挖將導(dǎo)致既有小凈距隧道內(nèi)側(cè)拱肩-拱腰區(qū)域襯砌出現(xiàn)朝向開(kāi)挖區(qū)的變形,且\"先深后淺\"工序較\"先淺后深\"工序偏大0.01~0.02mm.

為預(yù)測(cè)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(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:盾構(gòu)隧道開(kāi)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(duì)應(yīng)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位累計(jì)沉降值變小,與隧道埋深成反比對(duì)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.

以在建的深圳地鐵5號(hào)線工程太安站～怡景路站暗挖法區(qū)間的重疊隧道為例,采用flac3d非線性大變形程序?qū)χ丿B隧道暗挖法施工引起的地層三維變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,揭示地鐵重疊隧道內(nèi)力、地層變形的規(guī)律。

城市繁華地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道施工常需從建筑基礎(chǔ)下穿越,如何確保上部建筑與隧道結(jié)構(gòu)安全是施工中的難題?；诔两殿A(yù)測(cè)理論及flac3d進(jìn)行了地鐵施工誘發(fā)地層環(huán)境損傷評(píng)估與控制設(shè)計(jì)stead系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),以廣州地鐵區(qū)間隧道下穿某7層框架結(jié)構(gòu)建筑為例,采用數(shù)值模擬研究了地鐵盾構(gòu)隧道穿越建筑基礎(chǔ)誘發(fā)地層變形的空間效應(yīng)問(wèn)題,考慮了不同工況下隧道施工引起地層沉降對(duì)該建筑物的影響,采用本研究建議,盾構(gòu)隧道成功穿越該建筑物,實(shí)測(cè)證實(shí)了變形空間效應(yīng)研究的科學(xué)性與有效性。

進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)地鐵建設(shè)步入了快速發(fā)展的階段,各大城市地鐵建設(shè)項(xiàng)目競(jìng)相開(kāi)工。正確選擇有效的地鐵施工方法是地鐵建設(shè)快速、安全、有效的有力保障。施工技術(shù)的不斷發(fā)展提高,已初步形成專門的學(xué)科體系,極大地推動(dòng)了地鐵建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展。本文主要引用深圳地鐵的案例進(jìn)行分析淺埋暗挖法對(duì)地層變形的影響。

通過(guò)對(duì)大連地鐵隧道復(fù)雜圍巖地段圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,得到了鋼支撐、噴射混凝土等支護(hù)構(gòu)件的受力和圍巖位移收斂狀況,建立相應(yīng)的模型,進(jìn)行了有限元數(shù)值分析,并對(duì)測(cè)試與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明:在復(fù)雜圍巖地段,采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)與有限元仿真模擬相結(jié)合的方法可為隧道襯砌設(shè)計(jì)和施工的安全可靠性提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo),可為類似工程研究提供參考。

以南京地鐵1號(hào)線許府巷站—南京站區(qū)間隧道為背景,采用有限差分程序flac3d,對(duì)盾構(gòu)在富水飽和粉細(xì)砂、粉砂夾細(xì)砂地層中掘進(jìn)施工進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮了隧道開(kāi)挖、地下水位、土倉(cāng)壓力、同步注漿等因素影響,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

針對(duì)具體的工程和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及實(shí)測(cè)資料,用flac對(duì)沈陽(yáng)地鐵青懷區(qū)間段進(jìn)行數(shù)值模擬及分析,得出了隧道位移變形、各種應(yīng)力云圖以及相關(guān)的等值線等重要工程信息,其結(jié)論可為工程施工提供依據(jù),使工程建設(shè)更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理地完成.

某雙線盾構(gòu)隧道近距離旁穿一幢12層高層建筑,為合理評(píng)估隧道施工對(duì)建筑物的影響,進(jìn)行了考慮盾構(gòu)動(dòng)態(tài)施工及排樁加固的的遠(yuǎn)端(左線)、近端(右線)以及雙線均開(kāi)挖后隧道橫斷面及建筑物沉降的flac3d數(shù)值模擬分析,并對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了沉降實(shí)測(cè)。數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明:不采取加固措施,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為5.2mm,最大水平位移達(dá)25.8mm;基地土體出現(xiàn)拉剪破壞;數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致;若采用排樁加固,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為2.4mm,最大水平位移不足10mm,基地土體未出現(xiàn)拉剪破壞;排樁加固能有效降低圍巖變形及地表沉降,有利于建筑物的保護(hù)。

飽和砂土地層中的地下結(jié)構(gòu)在地震作用下可能因地基液化而發(fā)生破壞。采用動(dòng)力固結(jié)兩相體有限元程序dianaswandyne-ii對(duì)可液化地層中地鐵隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了模擬,并與動(dòng)力離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證其效果。選用廣義塑性模型pastor-zienkiewicziii模擬可液化土的動(dòng)力特性,基于biot方程的u–p形式建立有限元方程,進(jìn)行飽和土動(dòng)力固結(jié)的耦合計(jì)算。計(jì)算表明,該數(shù)值模型可較合理地模擬地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象基本相符。地基液化引起的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力及隧道上浮主要受地基液化時(shí)土水壓力變化的影響,截?cái)鄩Φ脑O(shè)置可有效減輕隧道結(jié)構(gòu)的上浮。

以重慶交通軌道環(huán)線冉家壩地鐵車站為工程依托,采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方法研究了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖、側(cè)洞法開(kāi)挖及明挖法施工下的地層變形規(guī)律.結(jié)果表明:3種工法下明挖法引起的地表沉降變形最小,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖次之,側(cè)洞法引起的沉降變形最大;2種暗挖施工下初次開(kāi)挖擾動(dòng)引起的地層變形最大,占總沉降量的50%以上.分析隧道拱頂變形發(fā)現(xiàn),變形過(guò)程可分為左導(dǎo)洞開(kāi)挖后的快速沉降階段、左右導(dǎo)洞開(kāi)挖及時(shí)支護(hù)后的過(guò)渡變形階段和臨時(shí)支撐拆除后穩(wěn)定變形階段,且2種暗挖工法下的拱頂變形曲線均可由指數(shù)函數(shù)擬合.

從施工力學(xué)的重度出發(fā)，本文根據(jù)深圳地鐵一期工程國(guó)貿(mào)－老街－大劇院兩區(qū)間的地質(zhì)資料及設(shè)計(jì)文件對(duì)所出現(xiàn)的重疊雙洞隧道及單洞雙層隧道兩種方案，利用三維非線性有限元對(duì)施工期的地表沉降及洞周變位進(jìn)行了模擬。其結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)及施工工具有指導(dǎo)及參考價(jià)值。

結(jié)合某地鐵深基坑工程實(shí)際,采用flac3d數(shù)值模擬軟件建立基坑開(kāi)挖三維數(shù)值模型,考慮基坑的實(shí)際開(kāi)挖工序,對(duì)深基坑工程在開(kāi)挖過(guò)程中的變形特征進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,得到了不同工況時(shí)基坑變形場(chǎng),根據(jù)變形場(chǎng)結(jié)果分析得出了基坑各位置變形特征及最大水平、沉降變形量。

以南寧地鐵白沙大道站深基坑工程施工為背景,簡(jiǎn)要介紹該工程的工程結(jié)構(gòu)、工程環(huán)境及水文地質(zhì)條件,詳細(xì)分析地表沉降和樁體水平位移的機(jī)理及變化規(guī)律.同時(shí),利用flac3d進(jìn)行數(shù)值建模分析,將模型計(jì)算所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)出地表及樁體水平位移變形的相關(guān)規(guī)律,為地鐵車站基坑的設(shè)計(jì)及施工提供合理的依據(jù).

以天津某鄰近地鐵隧道深基坑工程為背景,采用三維有限元軟件建立數(shù)值分析模型,動(dòng)態(tài)模擬了基坑施工的全過(guò)程,分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和鄰近地鐵隧道的位移特點(diǎn),并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化比選,在經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上滿足了隧道變形及位移控制要求。