基于楔形体理论的市政管网超大直径钢顶管施工开挖面极限支护压力研究

针对极限支护压力不足引起的市政管网超大直径钢顶管施工开挖面失稳破坏问题,分析了开挖面失稳破坏的动态过程,改进既有楔形体-棱柱体模型,利用极限平衡法,提出一种市政管网超大直径钢顶管施工开挖面极限支护压力计算方法。以深圳市某超大直径钢顶管工程为背景,研究了极限支护压力与滑裂面倾角、梯形底角的变化规律,并给出了两者的理论建议值;探讨了影响顶管施工开挖面极限支护压力的控制参数。研究结果表明：当支护压力比分别为0.40和0.15时,开挖面分别处于失稳临界状态和失稳极限状态。开挖面破坏模式符合楔形体-梯形体计算模型。开挖面极限破裂角等于43°,最大梯形底角为79.5°。开挖面极限支护压力随着土体内摩擦角和黏聚力的增大而减小,当摩擦角大于27.5°时,开挖面处于稳定状态;随着顶管埋深直径比增大,开挖面极限支护压力逐渐增加,当埋深直径比大于2.2时,极限支护压力趋于稳定。     

考虑刀盘厚度隧道开挖面极限支护压力的计算

针对目前盾构隧道开挖面支护压力的理论计算模型未考虑刀盘厚度的影响,从而导致计算结果偏小这一问题,在考虑刀盘厚度对开挖面支护压力影响的基础上,对现有的三维楔形体计算模型进行了改进。利用极限平衡分析法计算开挖面极限支护压力,并与数值模拟计算结果进行了对比验证。研究结果表明:当刀盘厚度大于0.5 m时,极限平衡分析法结果与数值模拟计算结果误差在20%以内,而传统理论模型计算结果与数值模拟计算结果误差超过40%。当隧道埋深大于15 m、隧道直径大于8 m时,由极限平衡分析法计算的结果和数值模拟计算的结果误差在10%以内,两结果吻合较好,证明本文在考虑刀盘厚度影响下所建立的三维楔形体计算模型,比传统理论计算模型更合理。     

干砂盾构隧道开挖面主动极限支护压力计算

隧道开挖面支护压力的合理选取是维持开挖面稳定性的重要条件,本文基于筒仓理论与三维楔形体计算模型,假设开挖面破坏区滑动块为一个由部分球体与半圆台组成的弧形楔形体,滑动块上部为半圆柱体.采用Terzaghi松动土压力与Rankine主动土压力计算方法和滑动块受力平衡,推导出干砂条件下开挖面主动极限支护力计算公式.由案例分析可知,该公式计算结果小于魏纲和三维楔形体模型计算结果,且更接近Chambon 离心模型试验结果,并针对计算误差探讨了该计算公式局限性因素.     

考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明：在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。     

基于开挖面实际破坏模式的盾构隧道稳定性分析模型

基于开挖面实际破坏模式,考虑分层土体的差异性和土体拱效应,对太沙基松动土压力计算公式进行修正,提出了一种新型楔形体计算模型,并由此算出开挖面的临界支护压力.结果表明：上覆土压力影响临界支护压力的取值,且随着隧道埋深的增加,其影响程度急剧增大;所得开挖面的临界支护压力的大小与楔形体张开角α及其倾角θ密切相关,当α=90°－θ时,可以确定所对应的临界支护压力值.同时,通过工程实例,验证了所提出的新型楔形体计算模型及临界支护压力确定方法的可靠性.     

考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析

为进一步研究流固耦合效应下浅埋矩形顶管隧道开挖面稳定性,结合南通世纪大道站矩形顶管过街通道工程,通过现场监控、数值模拟和理论分析等手段,分析了饱和砂层中流固耦合效应对开挖面极限支护力、破坏模式及孔隙水压力的影响.结果表明:支护应力比的减小将导致开挖面位移呈现3个阶段发展形式,致使开挖面前方孔隙水压力减小,最终导致其整体...     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

浅埋泥水盾构隧道开挖面被动失稳分析

基于杭州沿江运河隧道工程,采用有限差分数值软件FLAC~(3D)对开挖面被动失稳进行研究。根据数值分析中失稳模式提出局部被动失稳二维机动场模型并采用上限分析法推导开挖面极限支护压力。对运河隧道工程进行支护压力上限解分析。研究结果表明:支护压力过大会引起开挖面局部被动失稳,开挖面局部失稳区域底部至隧道拱顶距离与隧道直径的比值主要受覆土厚度的影响,土体摩擦角变化对其影响较小。被动失稳引起开挖面前方地表1.5倍开挖直径范围内隆起。支护压力上限解分析结果与数值计算结果吻合良好,该研究为盾构隧道施工中支护压力上限值确定提供了合理理论依据。     

三维盾构隧道开挖面极限支护压力数值及理论解

对盾构隧道开挖面稳定性进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了维持开挖面稳定最小极限支护压力随隧道埋深比及土体强度参数的变化特性.将极限支护压力值表示为土体粘聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的三项叠加,并通过数值模拟获得了各影响系数随隧道埋深比及土体内摩擦角的变化规律.利用数值模拟结果对三维楔形体模型进行对比验证,结果表明楔形体模型得到的各影响系数在规律上与数值模拟结果相符,但在数值上,土体重度影响系数与数值模拟结果更接近,而粘聚力和上覆荷载影响系数则存在一定偏差.     

水位波动条件下盾构极限支护压力半解析研究

为研究潮汐作用对盾构隧道开挖的影响,采用有限元软件COMSOL建立三维数值模型,得到水位波动条件下盾构隧道开挖面前的渗流场变化规律,发现粉土地基中的渗流存在幅值衰减与相位滞后现象.将计算所得渗透力应用到"楔形体—棱柱体"极限平衡模型中,计算并分析开挖面极限支护压力在水位波动条件下的变化特征,发现极限支护压力的波动与隧道埋深比、土层性质、边界水位波动等因素相关.随着隧道埋深比的增大和波动周期的减小,极限支护力的幅值衰减与相位滞后更为显著.潮汐作用下的极限支护压力最大值比最高潮位稳态渗流情况要小,支护力的最大值与最高潮位出现的时间不一致.     

砂土地层盾构隧道开挖面成拱临界深度分析

砂土地层盾构隧道施工过程中,合理的支护力对于开挖面的稳定性至关重要。其计算方法在深埋与浅埋工况下是有明显差异的,但是目前的研究未给出深、浅埋的明确界定。借助已有刚性截锥体破坏模式,将土压力理论的一般性与极限分析法的严格性结合,提出了适用于深、浅埋不同工况的计算方法。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对山西中部引黄工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷,为砂土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

富水黏土地层盾构隧道开挖面稳定性

富水黏土地层盾构隧道施工过程中,确定合理的开挖面支护力对于安全掘进至关重要。针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性展开了研究。通过数值模拟研究,分析了直径D、埋深比C/D与内聚力c对极限支护力的影响规律;推导已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式并分析其功率构成,结合黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,对极限分析法获得的极限支护力进行了修正。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对常州地铁工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,结果表明,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷。研究结论为富水黏土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

顶管电缆隧道施工对邻近建筑物和地下管线的扰动影响

采用离心机物理模型试验和有限元数值计算方法探究了软土地区顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响,并提出修正Peck公式评估顶管施工对邻近浅基础建筑物的扰动影响.首先,通过离心机物理模型试验,定性分析了顶管电缆隧道施工过程中地层损失率变化对邻近浅基础建筑物和地下管线的影响;其次,将有限元数值计算结果与离心机试验数据进行对比分析,验证有限元计算的有效性;最后,通过有限元模拟结果提出用于评估顶管施工对邻近浅基础建筑物扰动影响的修正Peck公式,并与现场监测数据进行对比分析.研究结果表明:顶管电缆隧道施工对邻近浅基础建筑物和地下管线的扰动影响随着地层损失率的增大而增大,地下管线刚度的增加可以有效减小邻近顶管隧道施工的影响;有限元数值方法可以较好地评估不同地层损失率下顶管隧道的施工工况;修正Peck公式能较好地反映在软黏土区域内顶管电缆隧道开挖对周围地层产生的扰动影响.研究结果可为软黏土地区顶管电缆隧道的施工提供一定参考价值.     

大直径砼顶管的管道受力特性分析

为优化现有的顶管管道受力模式及其设计方法,结合上海市污水治理南线工程,采用数值模拟方法,对内径4 m的大直径钢筋混凝土顶管管道的受力特性进行了分析,研究了施工过程中管土接触压力的变化及顶管覆土厚度对管道外土压力的影响,比较了管道受力分布与《给水排水工程顶管技术规程》的区别,并分析了管道内力的差异.计算结果表明：土拱效应随覆土厚度的增加逐渐增强,管土接触压力分布比较平均,侧向土压力采用主动土压力计算偏于保守,地基反力也可适当均匀化,并且在此基础上的管道弯矩减小,轴力相应增大.因此,管道设计可以进一步优化,使工程更加经济.     

软硬地层下双顶管掘进参数对管片及地层的影响性研究

软硬地层中双顶管掘进参数不当所导致的周围土体变形、姿态偏离、刀盘磨损等问题在实际工程中屡有发生。以南宁平花河顶管为工程背景,通过数值模拟研究软硬地层中不同掘进参数组合对周围地表沉降及管片应力的影响。得到结论如下：开挖面掘进压力对地表变形的影响呈现出非线性特征,地表沉降及其减小的速率随着掘进压力增大而减小;注浆压力与横向地表沉降之间呈现出线性递减的趋势,影响区域约为双隧道中心2倍隧道直径范围内;管片最大Mise应力与盾尾注浆压力、千斤顶推力均呈现线性递增的关系,当注浆压力、管片千斤顶推力分别增加10 kPa,每环管片的最大Mises应力相应分别增加64 kPa、17 kPa;开挖面掘进压力增大时,管片应力呈向着非线性递增的趋势,管片应力变化也相应减小,掘进压力从0kPa变化至20 kPa时的管片应力变化率为40~60 kPa的1/4~1/3     

桩基施工对邻近顶管隧道的扰动影响

预制桩静压施工会对桩周土体产生一定的扰动,进而对邻近既有顶管电缆隧道产生影响.顶管电缆隧道对管节的偏转和变形要求十分严格,一旦变形过大就会产生严重影响.为了确保顶管电缆隧道的正常使用,通过数值方法计算了预制桩静压施工对邻近顶管电缆隧道的影响,通过K0固结不排水剪切试验确定了软土小应变范围的参数取值,分析了桩长、桩-隧间距以及桩基挤土量对于隧道变形的影响.参考相关规范,以5 mm和15 mm变形扰动值为依据分别划分了预制桩静压施工对隧道变形强、弱影响区,为既有顶管电缆隧道周围的桩基施工提供相应的参考.