针对城市地下空间网络化拓建工程施工安全风险控制难题,通过调研及归纳总结,提出近接增建、连通接驳、竖向增层、以小扩大和多维拓展5种网络化拓建方式;研究分析网络化拓建工程施工的风险特点,构建规划阶段安全预控、设计阶段结构安全冗余设计、建设阶段主动控制及品质评价验证和反馈的安全前置的规划设计方法,形成网络化拓建工程全过程安全控制技术;提出基于拓建扰动度分级控制、针对拓建工程四要素(拓建结构、既有结构、地层及周边环境)的安全控制措施,构建网络化拓建工程新的施工安全监测指标体系,并在施工过程中全面实施安全风险防控。研究成果为城市地下空间网络化拓建工程的规划设计及安全建造提供了理论指导和技术支撑。

为明确圆形隧道开挖引起地表沉降分析所需模型边界尺寸,采用理论分析与数值模拟方法研究模型底边界与水平边界尺寸对圆形隧道开挖引起地表沉降的影响。理论分析采用Bobet、Park及Verruijt法,数值模拟采用弹性与弹塑性本构模型。研究结果表明:随着模型底边界尺寸增大,圆形隧道拱顶在地表的映射点由沉降逐渐转为隆起,当模型底部为半空间无限体时,圆形隧道拱顶在地表映射点无限隆起,这种现象显然有悖于工程实际;当模型底边界存在下卧硬质层时,如果下卧硬质层土的弹性模量是上覆土的5倍,则可将下卧硬质层土作为模型底边界条件;模型水平边界尺寸与底边界尺寸以及隧道半径关系密切,随着模型底边界尺寸以及隧道半径的增大,模型水平边界尺寸近似线性增加。

探讨通过高温-液氮循环处理使花岗岩初步劣化以辅助隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)掘进的新技术手段。对花岗岩进行200 ℃-液氮、300 ℃-液氮及400 ℃-液氮循环处理,循环处理次数为1次、3次、6次、12次、20次,并对所有处理后试样进行单轴压缩试验。采用薄片分析技术及纳米压痕技术研究400 ℃-液氮循环处理后花岗岩的细观结构及微观力学性质。结果表明:相同循环处理次数下,循环温度越高,花岗岩的宏观力学性质劣化程度越大;各循环温度下,宏观力学性质随循环次数的变化可分为3个阶段:快速变化(0~6次)、缓慢变化(6~12次)以及基本恒定阶段(12次以后);循环处理温度越高、次数越多,花岗岩在单轴压缩下的破坏模式越复杂;400 ℃-液氮循环处理下,花岗岩宏观力学性质改变主要源于微裂隙的发展而非晶体本身力学性质的劣化。

为提高复杂地质条件下层状软岩隧道大变形预测的可靠性,提出基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)-支持向量机(support vector machine, SVM)算法的隧道大变形预测方法,解决大变形预测中多项评价指标权重计算复杂及界限值多样等问题。为充分考量层状软弱围岩强度、围岩结构类型、地应力及地下水对隧道大变形的影响,选取岩体抗压强度、层理倾角、初始地应力状态、埋深、岩体修正质量指标［BQ］、地下水发育情况6项亚级指标对大变形等级进行预测。根据大变形等级划分标准,构建以地应力反演、现场大变形监测信息为基础的大变形预测模型,并采用粒子群算法优化惩罚参数C与核函数参数Gamma,以提高模型的准确性。研究结果表明:采用粒子群优化-支持向量机(particle swarm optimization, PSO-SVM)算法可以避免传统预测方法如地质综合判断法和强度应力比法由于单一指标和主观原因引起的误差,预测精度高;该方法利用隧道已发生的大变形信息,构建出符合目标隧道现场实际规律的PSO-SVM大变形预测模型;PSO-SVM模型对样本测试集预测的准确度达86.36%,优于SVM和GS-SVM模型;以九绵高速典型层状软岩隧道白马隧道为研究对象,应用提出的PSO-SVM模型进行大变形预测,通过与现场实测对比发现,预测精度达80%,验证了该方法的可行性。

针对处于粉质黏土地层的既有桩基础承载力不足问题,通过注浆模拟试验,对桩侧注浆提升既有桩基承载力的效果进行系统研究。其加固机理主要是通过注浆材料对桩周土体的挤密作用,增大桩侧-土界面的摩擦阻力,限制桩身沉降,提高桩基础的承载能力。试验结果表明:浆液水灰比、注浆压力、注浆孔布设位置与注浆量为桩基加固效果的4个主控因素。浆液水灰比和注浆压力两者综合作用,通过对浆脉形态的控制,直接影响浆液对粉质黏土地层的挤密效果。根据挤密效果的不同,将不同水灰比与注浆压力的组合分成强、中、弱3个加固设计区,其中,选用浆液水灰比0.8与注浆压力2 MPa的挤密土体在最大程度上提升了物理力学强度。桩基础承载力的提升幅度与注浆量呈正相关关系,与浆脉形成位置距桩身的距离呈反比例关系,根据浆脉形成位置距桩身的距离、注浆加固土体范围被分成了强作用区与弱作用区。桩侧注浆对侧摩阻力的提升主要产生于桩身的中下段,在实际工程中,着重对该段进行加固将大量减少对人力、物力的消耗。

为保障冻胀土地基条件下有轨电车运营期安全,需研究列车移动荷载作用下季节性冻土环境下有轨电车轨道的动力响应。依托张家口崇礼奥运赛区有轨电车项目,选取典型黑色黏土为代表性冻胀土体,重点测试了温度变化时该土体的水力特性及力学行为;将有轨电车轨道简化为无限长均质直梁,将地层考虑为Pasternak双参数地基,基于Euler-Bernoulli梁理论推导列车荷载作用下轨道动力响应的解析表达式,通过参数化分析研究土体冻融行为对轨道动力响应的影响规律。结果表明:季节性冻融行为会对有轨电车动力响应产生影响,且随着地基土温度的升高,土层动刚度系数会逐渐降低,轨道的动力响应趋于放大。

为研究隧道台阶法施工台阶长度对隧道变形的影响,以甘肃省某隧道台阶法施工的上台阶长度和循环开挖进尺为参数,采用三维有限元计算模型,进行围岩及支护结构稳定性分析。结果表明:上台阶长度对塑性区范围、围岩应力、拱顶下沉及周边收敛有显著影响;随着循环进尺的增加,最大地表沉降逐渐增大,在距离隧道中心线两侧25 m以外,地表沉降增长速率迅速减小并趋于平稳;Ⅳ级围岩地段,上台阶长度取开挖跨度的1~1.5倍,约为15 m;循环开挖进尺为1.5 m。隧道施工过程中,围岩位移、地表沉降等监测结果均满足施工安全要求,验证了本模型数据分析的安全性和准确性,该研究结果可以为采用台阶法施工的隧道提供一定的借鉴。

依托南昌市艾溪湖明挖地铁基坑工程,通过ABAQUS软件对该基坑开挖进行数值模拟,对比地连墙水平位移、支撑轴力、地表沉降数值计算和现场监测结果,验证数值模型的可靠性和适用性,重点分析开挖过程中地连墙弯矩变化规律。研究表明:地连墙迎土侧和开挖侧弯矩存在显著差异,开挖侧整体受拉,迎土侧整体受压,开挖侧最大弯矩为迎土侧的2.3倍,原设计方案中地连墙两侧主筋采用对称配筋,设计方案存在较大优化空间;单纯提高配筋量,裂缝控制效果并不佳;在开挖深度和内支撑间距不变条件下,对现有设计进行非对称配筋优化后,迎土侧和开挖侧配筋量分别减少38.3%、11.4%,且结构分担荷载特性更合理,可以较大程度降低钢筋使用量,以减少工程投资和建设规模。

为研究济南黄河隧道大直径泥水平衡盾构穿越透水砂层施工过程中开挖面稳定性,根据工程典型节点的相关参数,建立三维计算模型,结合流固耦合理论,分析开挖面水体渗流、孔隙水压分布、开挖面土体位移和土体应力在不同泥水压力下的变化规律。结果表明:在泥水压力降低过程中,开挖面土体位移产生突变,即开挖面发生主动破坏,且位移向上扩展,失稳形态符合楔形模型。由于土拱的作用,土体的水平应力增大;在泥水压力减小的过程中,土拱区高度不断向地表扩展。通过分析开挖面土体位移和应力状态可知,保持开挖面稳定的泥水压力下限为水土压力的0.34倍,与既有试验结果相符,相较于未考虑流固耦合的情况大。

为减小或避免长大深埋隧洞全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)在施工过程中的岩爆灾害,采用小导洞开挖技术对隧洞内围岩应力进行超前释放,通过微震监测设备对应力释放效果进行监测。结果表明:小导洞开挖可以有效释放隧洞内应力,降低岩爆发生的强度和频率。研究不同单响药量及小导洞断面尺寸对应力释放的影响,结果显示:单响药量基本与微震事件能量成正比,即一定范围内,单响药量越大,应力释放效果越好;大断面尺寸更有利于应力释放。在实际工程中,应根据实际情况,在保证安全的前提下,尽可能地释放应力。

基于杭州某盾构隧道正上方大型基坑开挖工程实例,从实测数据角度分析门式加固和分区分块开挖措施对隧道变形的影响。通过对比基坑开挖期间各个阶段地铁隧道的竖向位移、水平位移和收敛变形情况,并结合变形控制值,研究了分区分块开挖过程中隧道的变形特点。结果表明:门式三轴搅拌桩加固,强化了土体的抗变形能力,能够有效减少上方卸载对盾构隧道的变形影响;分区分块的基坑开挖方式利用了时空效应,可以大大减小基坑开挖卸载过程中隧道的隆起变形;搅拌桩施工对隧道收敛值产生的影响远大于基坑开挖,以后类似工程宜采用微扰动施工工艺。

为了提高骨料投放效率,提出基于点阵的骨料投放算法。算法的基本思想是将连续的模型计算域通过一系列规则排布的有序点阵离散化,遍历待投骨料所包围的点集,通过这些点的状态标识来判断骨料是否投放成功,有效避开骨料间侵入判断时复杂的几何运算。该算法对由面片构成的多面体骨料具有通用性,通过OpenMP(Open Multi-Processing)并行优化后,骨料投放效率提高65%,将该算法与激光扫描技术结合,构造出的混凝土三维数值模型能够如实反映内部骨料的形态、级配以及空间分布等特征,并且骨料体积分数可达60%,完全满足数值研究中混凝土骨料体积分数需求。