圆形隧道施工对不同深度地层沉降影响的模型试验

依托大瑞铁路高黎贡山隧道全断面隧道掘进机(tbm)段圆形模筑混凝土衬砌工程,开展了不同衬砌结构的模型试验研究.采用卧式加载试验装置,对圆形模筑混凝土、单层管片和管片双层三种衬砌类型进行试验,得到三种衬砌管片的弯矩、轴力和位移.研究结果表明:在相同荷载条件下,模筑混凝土衬砌破坏时能承受更大的弯矩;在试件破坏前,单层管片衬砌和管片双层衬砌在拱脚处轴力有突变,产生应力集中现象;分块对管片刚度有一定的削弱作用;等厚度的圆形模筑混凝土和管片双层衬砌,前者刚度大,力学性态好.

根据相似理论,设计平面应变模型试验系统,研究地铁隧道存在单个圆形溶洞时,在注浆压力作用下岩溶地基渐进性破坏特点。试验中采用圆柱形气囊模拟注浆压力。对逐级加载过程中土层压力的变化规律进行研究,并对加载过程中土层的位移进行讨论,绘制顶板破坏时的破裂面图。最后,根据相似系数换算成原型值,得到导致地基失稳破坏的极限荷载。

以深圳地铁7号线笋岗-洪湖区间隧道重叠段为背景,采用室内相似模型试验,研究两隧道相对位置变化时新建隧道对既有隧道受力及位移的影响.试验结果表明净距一定,两隧道上下重叠时新建隧道开挖对既有隧道拱顶位移及拱顶、拱底附加内力的影响最大,且对拱顶内力的影响大于拱底;随两隧道角度的减小,既有隧道结构附加内力最大值由拱顶向拱腰转移.

为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程,研制大比尺三维模型试验系统,该系统最大外部尺寸为5.2m×4.5m×2.7m(宽×高×厚),结构合理,可任意拆卸,组合拼装,自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可进行稳步梯级加载等特点,能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似材料的基础上,通过大量的不同材料配比及其力学参数测试,获得满足v级软弱围岩的相似材料配比。基于此开展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验,真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。试验结果表明,该系统稳定可靠,可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究,其研究方法技术及所得结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。

文章以深圳地铁7号线盾构小净距隧道为依托,开展了净距小于1倍洞径小净距隧道净距影响模型试验,分析了净距变化时新建隧道对既有隧道的影响规律,可为盾构小净距隧道施工提供一定参考。

通过对深圳地铁暗挖施工的离心模型试验研究,得到了随时间变化的地表沉降槽变化规律曲线。表明在富水地层控制降水隧道开挖施工中,由于水平旋喷桩具有较好的地层加固和止水作用,可以有效地控制地表沉降。

以京沪高速济南连接线港沟隧道穿越断裂破碎带区域为依托工程,研究了复杂地层超大断面隧道施工情况下围岩力学响应特征.研发了大型可拼装式地质力学模型试验系统,搭建了以静态数据采集为基础的应力-应变场监测系统和以光栅测距为基础的位移场监测系统,开展了复杂地层超大断面隧道施工过程力学模型试验研究.通过对试验开挖过程中位移变形和围岩应力变化的实时监测,揭示了超大断面隧道穿越断裂破碎带施工过程的力学演化规律.监测数据表明:位移变形大致可分为“缓慢增加—急剧增大—稳定状态”3个过程,水平收敛位移要早于拱顶沉降进入急剧增大阶段;应力变化也可分为“应力积聚—应力释放—稳定状态”3个阶段.形成的试验方法技术以及结论对类似工程研究具有重要的指导和借鉴意义.

为研究平行盾构隧道施工对不同位置桩基的影响,建立了盾构穿越既有桩基的有限元三维数值模型。通过不同桩位和桩长的方案对比,模拟得到不同桩位和桩长的桩基在盾构施工穿越过程中所产生的变形和受力特点。

文章以合肥地区典型黏土和砂土为试验材料进行室内模型试验,探究在盾构开挖条件下,地下管线在黏土和砂土不同地层中受力和变形的规律。研究结果表明,由于管-土相互作用程度和相对刚度不同,导致盾构开挖管线在砂土中变形曲线呈沉降槽型,在黏土中呈小双峰型；管线在砂土中最大沉降值大于黏土,而黏土中管线底部最大拉应力大于砂土；相邻管线部位变形具有上拱和下拉效应,且上拱和下拉效应对相邻管线部位的影响范围和程度不同；管线的最大变形量与地层损失量、沉降槽宽度有线性关系。

以广州地铁站前停车线为工程背景,通过室内大比例相似模型试验,结合数值模拟计算,研究大断面浅埋地铁在上下台阶法不同开挖步骤中产生的洞周位移、地表和地层的位移响应。结果表明:通过相应的辅助工法和合理的施工工序,台阶法能有效控制上台阶开挖引起的洞周位移和地表沉降,从而控制整个隧道开挖对周边环境的影响,保证隧道快速、安全施工。

依托某地铁隧道工程,开展相似模型试验,分析了钻爆法地铁隧道开挖对地表及建筑物的影响。

混凝土隧道不同,所衬砌的结构承载力也不尽相同,这也就需要不同的材料作为支持.文章中针对不同混凝土隧道的二次衬砌,进行了模型试验,以此希望能够为有关工作者提供参考.

应变软化模拟与圆形隧道衬砌分析——在岩土工程中，有许多类岩体呈现应变软化特性。在应变软化过程中，如果多个材料强度参数分析发生变化，就很难给出软化问题的解析解。已有的文献研究表明，在经典的弹塑性理论框架下，模拟岩土介质的应变软化过程依然值得深入...

在城市地铁工程中,经常出现新建隧道施工近接既有隧道的情况,包括隧道水平、竖直和倾斜平行以及上下正交和斜交等,新隧道的掘进不可避免地对既有隧道产生影响。本文针对盾构法新建正交下穿隧道,以广州地铁3号线大塘-沥滘区间盾构隧道为背景,采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段,引入横向和纵向等效刚度折减系数,对盾构隧道正交下穿施工所引起的既有隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,得到围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道正交下穿施工所引起的既有隧道的变形和附加内力分布变化规律。

通过室内模型试验,研究了上海地区典型地质条件下高层建筑群工程环境效应对地面沉降的影响,探讨了在高层建筑群工程环境效应作用下不同土层的变形特点、相邻建筑物之间的相互影响状况、高层建筑群对中心及周边区域地面沉降的影响以及沉降影响范围、土层中应力(包括土压力、孔隙水压力)的变化规律等.试验研究结果表明:上海软土层是地面沉降的主要组成部分;高层建筑群工程环境效应造成的城区地面沉降的特点是距建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑本身的沉降,尤以相邻建筑之间中心区域地表的沉降量最大;密集高层建筑群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应,并使沉降量超过容许值,从而带来不稳定因素.

通过新宝塔山隧道施工过程对既有宝塔山隧道的影响进行了数值模拟,并实测了新隧道开挖过程中既有隧道衬砌结构的变形和衬砌混凝土的应变变化情况。数值模拟结果和现场实测数据表明,既有隧道衬砌结构的变形和衬砌混凝土的应变变化较小,新隧道施工对既有隧道影响不明显,对后续工程施工有指导意义。

采用相似材料模型试验方法,对软岩隧道在以竖直地应力为主和水平地应力为主两种情况下围岩压力分布规律进行了研究.研究结果表明,隧道围岩应力升高区在隧道周围1倍洞径之内,应力集中系数约为1.2~1.5.因围岩应力重分布而出现塑性区,高应力向深部转移.隧道施作衬砌后,随着洞周围岩应力进一步释放,塑性区继续扩张,应力升高区也进一步向围岩深部发展,洞周的应力集中现象有所减小.隧道边墙中部、拱肩、拱顶是比较关键的部位,应加强支护.

以洪酉路6号棚洞为研究对象,建立模型进行试验。通过模拟不同边坡坡率和不同回填体材料的相互组合情况来监测棚洞结构的内力变化及其对边坡的支撑作用,用量测仪器监控棚洞结构主要受力部位的变化。模拟分析公路隧道中棚洞结构、边坡围岩和回填体3者之间的影响关系,从而指出在由棚洞结构、边坡围岩和回填体组成的系统中,并非所有坡率相同和回填材料相同的情况下,棚洞结构受力岩质边坡都优于土质边坡;还指出了棚洞施工回填体材料和边坡坡率变化组合的优化方案,对出现高边坡时的棚洞设计和施工具有很好的参考价值和指导意义。

目前,有些黄土公路隧道受到地形限制只能采取小净距隧道形式,为了更好地解决彼此开挖相互受影响带来的安全隐患问题,笔者开展了6组基于先加载后开洞思路的离心模型试验,研究了不同净距和间距的组合下双洞效应黄土公路隧道地表及地层的变形规律。试验结果表明:间距保持1d时,随着净距的增大,双洞间的相互影响程度明显减弱,先行洞开挖对后行洞的次生扰动逐级递减;地表沉降轮廓由单核心盆地演变为多核心盆地,地层变形曲线从v形发展为w形;压力拱效应明显且成拱高度随两隧体净距的增加而升高。间距变为2d时,无论净距如何取值,地表和地层沉降的最大值都会在右侧隧道中心线附近出现,右侧隧道上覆土体变得更为敏感。净距2d间距2d时,地表和地层沉降均在右侧先行隧道拱顶上方出现6组工况下的最大沉降值,评定为最不利工况;间距1d净距取1.5d和2d时,两隧体间均可形成自稳的宽底承载土柱体。因此,小净距黄土公路隧道合理净距取值范围为1.5d~2d,相应的掌子面间距宜控制在1d内。

受隧道建设过程中施工条件等因素的影响,衬砌背后与围岩之间常有空洞存在,而使衬砌受到不均匀的荷载作用,同时因空洞部位不能产生被动抗力约束衬砌的变形,结构极易产生病害而使隧道尽早的进入到维修管理阶段。文章以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,全面研究结构在同级围岩中相同缺陷形式下,采用相同加载方式至结构产生病害后进行不同补强方式的破坏性试验。通过对回填压注的效果进行对比性分析得出:对于存在空洞的病害隧道,回填压注应作为首选补强形式。

文章以洛湛线北岗隧道为背景，开展针对富水软岩隧道的室内模型试验，对开挖支护后围岩的变形及应力的变化规律进行研究。结果表明：富水软岩隧道自身稳定性差，施工中必须设计足够强的支护结构，才能保持洞室的稳定性。支护结构对洞室围岩近处变形及应力的影响比远处显著；且支护结构越强，能显著减小洞室周边围岩变形量及应力的变化量。

中国西北地区大部分土质为湿陷性黄土,这些地区修建的多层建(构)筑物中,有些由于地下管线漏水、室外排水措施不当等原因,造成地基土发生不均匀沉降,使建(构)筑物出现倾斜等工程事故。为使这些上部结构完好,保证基础存在不均匀沉降的建(构)筑物的安全和正常使用,应使其倾斜得到纠正。通过工程实践和模型试验,提出一种将水注入建筑基础下土体诱使地基补偿沉降纠正偏移建筑的方法。对一个放置在与工程现场相似、人工处理的湿陷性黄土基础上的建筑模型进行纠偏试验。该模型相似比取1∶5,高度为3m。采用诱使沉降法,首先在建筑一侧开沟,释放侧向约束应力,其次在沟底向建筑基础下部掏水平圆孔,减小地基承压面积,增加地基土的竖向应力,然后向水平孔注水软化地基土,诱使建筑基础产生沉降,达到纠偏的目的。纠偏模型试验测试得出以下结论:(1)应力释放和地基应力增加产生的水平位移和沉降仅为注水软化地基的1%～2%;(2)iii级自重湿陷性黄土基础在压力作用下,其初始湿陷含水量为12%,但当含水量达到25%时,湿陷沉降明显加速,因此,采用注水诱使湿陷沉降纠偏时控制湿陷含水量为20%～30%,持续2～3h/d,可使纠偏过程安全且效果良好。工程案例和按照试验方法进行的大量工程纠偏实践证明,此方法可用于湿陷性黄土地区的纠偏实践。