砂土地层盾构开挖面极限最小支护压力

盾构施工过程中开挖面支护压力控制不当有可能导致周边管线破裂、建筑物倾斜等严重的风险事故.基于Flac3D数值模型及极限平衡模型研究了砂土地层中不同埋深比(C/D)及土层内摩擦角对开挖面失稳模式和极限最小支护压力的影响机制.通过对比分析两种方法,得出现有极限平衡模型由于无法反映开挖面失稳过程中侧压力系数随开挖面位移和埋深动态变化过程,因而与实际极限支护压力存在较大差异.该研究为砂土地层工程实践提供重要的理论依据.     

砂土地层水下盾构隧道开挖面被动破坏数值模拟

基于Mohr-Coulomb强度准则和不相关联的流动法则,采用Abaqus模拟砂土地层水下盾构隧道开挖面被动破坏,分析埋深比C/D、地层上覆水位高度H、砂土内摩擦角φ对地表位移的影响,并探讨开挖面前方土体破坏模式。结果表明：标准开挖面支护压力与C/D、H和砂土φ均呈正相关关系;地表位移受C/D变化影响较大,C/D由0.8增大到1.5,最大纵向和横向位移值分别减小80%和86%;静水压力仅会限制横向地表位移的发展,对纵向地表位移的影响较小;C/D较小时,被动破坏模式呈现延伸至地表的倒棱台形,属于整体破坏;C/D增大至4.3时,土拱无法达到地表,属于局部破坏。     

浅埋透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力研究

针对浅埋透水地层的泥水平衡盾构施工的隧道,建立考虑水的渗透作用下泥水盾构开挖面极限支护压力的理论分析模型。同时,基于极限分析理论,推导相应的计算公式,并结合工程实例,通过数值模拟计算分析,验证理论分析的合理性,进而讨论隧道埋深、隧道直径、土体黏聚力、内摩擦角和水深等参数对盾构开挖面极限支护压力的影响。研究结果表明:浅埋透水地层盾构隧道开挖面极限支护压力随着隧道埋深、隧道直径以及水深增大而增大;随着土体黏聚力和内摩擦角增大反而减小。     

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。     

灰岩与砂土复合地层盾构隧道施工开挖面稳定性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对灰岩-砂土复合地层地铁隧道盾构施工的开挖面在渗流作用下的稳定性进行分析,探讨了2种复合地层模式下不同埋深和渗流系数对隧道开挖面变形的影响.研究结果表明:①当地层上层为灰岩,下层为砂土时,隧道开挖面变形主要集中于砂土层,埋深和支护力比越大,开挖面的水平位移越小;埋深10、20和30 ...     

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。     

上硬下软地层盾构隧道开挖面极限支护力分析

极限支护力是保证盾构隧道开挖面稳定性的关键参数.但目前鲜有学者研究上硬下软地层中盾构隧道开挖面极限支护力的现状.本文基于极限平衡法和筒仓理论,假设破坏面为折线,建立了适用于该地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,并得到其计算公式;进而对该地层模型进行数值模拟.结果表明,与不考虑地层分层的传统方法相比较,本文方法与数值计算结果更为吻合,证明了当开挖面横跨上硬下软地层时考虑分层的必要性.在此基础上,对埋深、上下土层厚度及土体强度指标等参数对极限支护力的影响进行了分析.结果表明:当上下地层土质不同时,考虑分层与否所得的极限支护力差异较大.因此,上硬下软地层不能等同于均质土层,在工程实践中需予以考虑.     

正交下穿盾构开挖面失稳的离散元分析

基于上海轨道交通工程实践,采用离散元软件PFC2D模拟盾构隧道的正交下穿施工,分析了存在既有隧道情况下盾构开挖面塌陷失稳破坏的失稳模式、地表沉降及支护压力比,并与现场监测数据进行比较验证,沿开挖纵向进行关于开挖面塌陷失稳影响的普适性规律研究.结果表明,当开挖面距离既有隧道较近且未穿越时,既有隧道对失稳模式存在显著影响,表现为烟囱状失稳区扩大、地表沉降槽不连续、极限支护压力比减小;当开挖面穿越既有隧道后,有既有隧道开挖的失稳模式基本与无既有隧道开挖一致.模拟过程中测得2种工况极限支护压力比分布为0.4～0.6,其中下穿工况极限支护压力比较小,即较不容易发生塌陷破坏.综合对模拟结果的分析,当开挖面位于既有隧道前2倍隧道直径范围内时,开挖面的失稳模式将受到既有隧道的影响.     

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明：所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^3D数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。     

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...     

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.     

大直径矩形顶管开挖面极限支护力计算方法

为进一步研究大直径矩形顶管开挖面稳定性,通过建立实际工程地质数值模型,对大直径矩形顶管发生主动极限破坏时开挖面前方土体的破坏区域进行简化;基于破坏模式,改进现有的楔形体计算模型,推导矩形截面主动极限支护压力的计算方法;将该方法得到的极限支护力值与实际工程计算结果进行对比验证合理性,继而进行影响因素敏感性分析。结果表明：提出的梯形楔形体计算模型与数值模拟结果相近,且优于等效截面计算结果,可见本项研究能够为大直径矩形顶管在土层中顶进时的确定合理的支护压力提供依据。     

考虑土拱效应的盾构隧道开挖面稳定性

在考虑松动土体内的三维土拱效应和开挖土体与刀盘摩擦力的基础上,改进了传统的筒仓楔形体模型计算方法.结果表明:最小土压应力并不是传统方法假设的均匀分布形式,而是近似呈抛物线分布;土的黏聚力、内摩擦角、刀盘与松动土体间的摩擦角以及埋深等物理参数对其最小土压应力均有一定程度的影响;降低刀盘与开挖面土体间的摩擦角可以显著增加开挖面的极限稳定性.通过与模型试验结果和其他计算方法的对比分析,验证了本文计算方法的合理性.     

均压灭火监测技术在六道湾煤矿的应用

针对六道湾煤矿急倾斜水平分层放顶煤开采过程中经常遇到的工作面及上分层采空区易发火的问题，通过合理分析与现场实践，采用对上分层开探孔监测的方法，即利用探孔作为观测孔，安装水柱计来动态监测上分层采空区与工作面之间的压差，并通过对调节风窗的适时调节及对上分层采空区进行开式注N2形成氮气蔽的方法，有效阻止了对工作面及上分层采空区的漏风，将供氧量降低到了相对较低的程度，达到了均压防灭火的目的，是均压灭火监测技术在煤矿的成功应用。     

地形偏压对公路隧道偏压程度影响模型试验研究

为研究地形偏压对公路隧道偏压程度影响,以鹤大高速回头沟隧道为依托工程,采用铁砂、汉白玉等材料,按照几何相似比1∶80,容重相似比1∶1制作隧道模型,结合现场试验验证模型试验的合理性,研究不同埋深、地表坡度对公路隧道偏压程度影响.试验表明:①随着埋深的增大,隧道偏压程度不断减小,当埋深达到35 m以上,偏压程度变化较小,...     

复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理

针对复合地层泥水盾构开挖面稳定性问题,采用试验研究和数值仿真分析相结合的方法,并结合宏观及微观研究手段,对泥水盾构施工过程中周围土体力学特性及地层变位,进行了定量分析,揭示了该地层条件开挖面的失稳破坏模式.在此基础上建立了完善的开挖面稳定性三维解析方法,主要得到以下结论:对于常见上软下硬复合地层情况,低应力水平条件下泥浆的渗入能在一定程度上提高土体的强度,减缓侧向变形的发展,因此,有效泥浆支护压力宜控制在较小的区间取值,且不宜过大,并应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定;上软下硬复合地层中开挖面失稳破坏模式与砂性土地层的失稳破坏模式相似,即表现为开挖面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,最大沉降量发生在开挖面前方顶部附近.     

真空负压软基加固特性三维数值分析

基于三维Biot固结理论,考虑涂抹效应,采用修正剑桥模型和渗透系数均质化方法,应用ABAQUS软件对真空负压下软基加固过程进行三维有限元计算,对不同加载方式、变化渗透系数和密封深度这3种因素的有限元计算结果进行比较分析。结果表明:三维有限元能更真实地反映真空负压固结过程,砂垫层节点施加荷载方式的计算值与实测值吻合较好;考虑渗透系数随孔隙比变化时,表面沉降量、沉降趋势和固结度更接近实际情况;最优有效密封深度约为3 m。     

砂土中隧道垂直下穿既有管线的数值模拟

为研究隧道施工条件下管线的变形,通过开发颗粒流程序及利用室内管线加载-挠度试验建立了管线宏细观参数之间的关系.基于PFC2D建立了隧道-土体-管线的数值模型,模拟砂土中隧道垂直下穿既有管线过程中管线的变形位移.通过数值模拟分析了地层损失率及管线与隧道间距对模拟结果的影响规律.结果表明:随着地层损失率的增加及管隧间距的减小,管线中间的下拉效应与距管线中点35倍隧道直径处的上拱效应越明显;管线中部上覆附加应力会随地层损失率的增大及管隧间距的减小而增大,同时对应管底土压力则迅速减小并稳定在一较小值;管线与管底土层沉降槽宽度系数比值(ip/i)与地层损失率成正比,而与管隧间距成反比,最大值可达到24.