盾尾密封对盾构周边渗流场及正面稳定的影响

基于地下渗流基本方程,采用有限差分法对江底隧道盾构施工中产生的周边渗透力进行了分析,并推导了渗流条件下盾构正面稳定的判别公式.分析表明:隧道开挖后,隧道周边土层的孔隙水压力将重新分布,开挖面附近孔隙水压力等值线呈楔形体,隧道开挖面上孔隙水压力变化达到最大;而开挖面附近的总水头等值线围绕开挖面呈环形分布,渗透力的最大值出现在开挖面上及盾尾透水处.土中渗透力使隧道开挖面稳定性系数减小,但盾构压力舱内的泥水压力有利于隧道正面的稳定.分析还表明,如果盾构掘进过程中盾尾有透水现象,则整个盾构机将处于水头产生较大变化的范围之内,会导致极其严重的后果.     

考虑渗透系数各向异性的盾构隧道开挖面稳定性数值极限分析

城市地铁隧道普遍采用盾构法施工,盾构掘进过程中密封舱支护力不足会引起开挖面的突然坍塌,造成重大人员伤亡和财产损失。隧道开挖会造成周围地层水力环境改变,引起地下水渗流,不仅在开挖面前方土体中产生渗透力,也使得围岩力学性质弱化,大大增加了盾构隧道开挖面失稳的风险。现有工作一般假定土体渗透系数为各向同性以简化计算,然而,土在沉积的过程中由于各种因素的影响会产生各向异性,即渗透特性与所选取的方向有关。基于极限分析理论,结合有限元四面体单元和半正定锥规划,建立三维数值极限分析方法。在此基础上,结合渗流分析,研究渗透系数各向异性条件下盾构隧道开挖面附近渗流场及开挖面极限支护力的变化规律,分析渗透系数比对开挖面破坏模式的影响,为盾构隧道安全施工提供重要的参考。     

盾构施工渗流场有限元模拟及其对临近土层的影响分析

根据渗流场和温度场控制方程及边界条件的相似性,将有限元软件ANSYS的温度场分析功能应用于盾构施工渗流场的研究,分析了盾构施工渗流场的特点,并利用ANSYS软件自带的APDL参数化语言开发渗流力计算模块.首先在渗流场内计算渗透力,然后将其作为应力边界条件施加于各节点进行应力和变形分析,以获取考虑渗流的隧道周边土体的应力和变形.研究结果表明,渗透力的存在是导致水下隧道开挖面失稳的重要因素,水向开挖面流动使得开挖面前方土体下沉,并使其具有向土压仓滑动的趋势.渗流引起的最大剪应力出现在开挖面前方拱顶和拱底处,最大剪应力值基本上与土仓内外水头差成正比;渗流的存在使得施工扰动的程度和范围加大,相比无地下水情况,掘进时必须增加掌子面推力来平衡渗透力,以控制地表变形,维持开挖面的稳定.     

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。     

超孔隙水压力影响的土压平衡盾构开挖面稳定特性

针对土压平衡盾构掘进过程中开挖面稳定控制对周边环境影响的问题,通过原位监测手段得到盾构开挖面上超孔隙水压力和土压力增量的发展和分布情况,在此基础上进行考虑流固耦合的数值分析,得到考虑超孔隙水压力影响情况下欠支护状态和超支护状态的开挖面稳定特性.利用数值模型进行参数分析,研究土体渗透系数以及盾构停推时间对于开挖面稳定的影响,为实际施工提供有益的参考.     

双圆盾构施工土体沉降有限元数值模拟

依托于上海轨道交通M6线9标双圆盾构区间隧道工程,对双圆盾构隧道施工力学行为进行了三维有限元数值模拟.计算中考虑了隧道开挖、管片拼装、盾尾注浆、浆液固结等主要施工步骤,分析了双圆盾构施工土体深层沉降特征,土体沉降的量值与范围,并与监测结果对比,进一步揭示了双圆盾构掘进环境土工影响特征.可为异形盾构在我国的开发应用提供参考.     

考虑土体软化的隧道盾构掘进界面稳定性分析

岩土工程中的许多土体有应变软化行为,这种软化行为能导致应变局部化,进而对土体的稳定性有重要影响．首先研究饱和砂土的排水平面应变压缩试验的剪切带的形成,进行数值分析,预测了实验现象．然后,考虑土体应变软化盾构掘进面失稳的影响,对深埋隧道的盾构掘进进行三维数值分析,对比分析渗流条件下应变硬化模型和应变软化模型以及应变软化条件下考虑渗流与未考虑渗流模型之间的区别．分析表明,土体应变软化更容易导致盾构掘进界面失稳,使得开挖面的极限支护压力和地表沉降增大、塑性区扩展比没有应变软化的土体更大．探讨了诸如内摩擦角、黏聚力等土质应变软化参数的变化对盾构掘进界面稳定性的影响,发现内摩擦角软化的影响较大,黏聚力次之．最后,对天津地铁9号线的一段盾构掘进进行了模拟,其结果与工程实测数据相吻合．     

稳态渗流条件下盾构隧道松动土压力计算模型研究

越江海或地下水丰富的盾构隧道在长期使用过程中渗水情况时有发生,由此引起的渗流场对隧道顶部荷载的影响是不容忽视的,但现有的松动土压力计算理论很少考虑渗流效应,对此提出了稳态渗流条件下的盾构隧道松动土压力计算模型.考虑盾构隧道处于稳态渗流状态,基于复变函数的映射变换,推导了隧道覆土内的孔隙水压力与渗流力表达式;引入小主应力轴旋转理论,得出了相应的侧压力系数计算公式;基于太沙基土拱效应分析模型,在渗流作用与主应力轴旋转效应分析的基础上,采用极限平衡法建立了竖向应力的微分方程,给出了盾构隧道顶部的有效松动土压力解析解答,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证.研究结果表明:渗透系数相对值越大,隧道拱顶的有效松动土压力越大,但渗透系数相对值增大到一定程度后,该值的变化对于土拱效应影响很小;管片内侧水头恒定时,隧道拱顶的有效松动土压力随着渗流量的增加而减少;地表水头高度越大,隧道顶部的有效松动土压力越小;地表水头高度一定时,管片内侧水头高度的增加会削弱隧道顶部土拱效应;拱顶土体的位移越大,土拱效应越强;本文模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了本文模型的有效性.     

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。     

EPB盾构开挖面稳定性的PFC-FLAC耦合分析

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘进模式和不同地层条件下开挖面的稳定性,并结合实际工程进行验证.结果表明:离散元与有限元耦合方案可以有效地模拟盾构渣土进出舱过程中的细观力学行为;地层因素对掘进模式选择影响较大,砂层或上软下硬地层中保持满舱或3/4舱模式掘进时能更好地控制开挖面稳定;在全断面粉砂地层和上部中砂下部风化岩地层中,开挖面失稳的临界支护压力比分别为0.41与0.29;在恒定排土条件下,掘进速度对开挖面稳定性影响较大.     

并行数值仿真技术在盾构隧道地震响应分析中的应用

采用全三维非线性建模方法建立了盾构隧道总体有限元模型，模型规模上节点总数超过400万，单元总数超过380万．由于系统的非线性，且地震激励是一种时间历程，盾构隧道地震响应数值模拟的实质是一个超大规模非线性系统的瞬态响应计算问题，使得目前在地震安全性评价领域普遍采用的串行算法、串行软件和普通的计算机无法胜任此工作．本文根据所用超级计算机的体系结构特点，采用改进的区域分解算法，通过对盾构隧道总体模型合理分区来进行地震响应分析．地震波载荷选用调幅后的上海隧道场地人工地震波，应用通用非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解，计算结果可为隧道的抗震设计提供有力依据．     

盾构隧道施工对邻近建筑物的影响

为了弄清盾构隧道施工对邻近建筑物的影响,分析了盾构法地铁隧道穿越建筑物时建筑物自身沉降与内力变化状况．以某框架结构办公楼为研究对象,将建筑物和开洞地基看作一个有机整体,利用有限元软件ANSYS10．0建立三维非线性有限元模型,按照结构-土体-隧道共同作用进行了计算分析．分析结果表明,建筑物基础的沉降主要发生在地铁隧道穿越建筑物的区间段内．建筑物的横向倾斜随着盾构的掘进逐渐增大,而其纵向倾斜量最大值则出现在开挖面在建筑物中线附近时;在盾构穿越建筑物的过程中柱子的等效应力增幅可达20．1％;相对于弯矩而言,建筑物构件的扭矩变化更为显著;当开挖面越过建筑物20m时其变形和内力均趋于稳定．     

城市地铁隧道对结构物上部桩基的影响

通过三维弹塑性有限元模型的建立,探讨软土地区盾构隧道开挖对地表沉降及上部桩基工作性状的影响规律。结果表明：地表沉降随盾构隧道开挖深度的增大而减小,而发生地表沉降范围增大;当桩体位于隧道拱顶正上方时,桩端与隧道拱顶间的最小安全距离为0.5d(d为隧道直径);盾构隧道开挖在其侧上方引起的影响区为距离隧道中心线1d的范围。     

盾构隧道联络道爆破施工优化

针对盾构隧道间联络道爆破对既有盾构隧道结构造成的不良影响,对隧道的爆破施工方案进行优化,并利用有限元数值模拟软件建立数值模型,分析不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响.模拟结果表明:当联络道掌子面与管片距离为0时,在隧道管片上出现较高的应力集中,盾构隧道管片是极不稳定的;将桶形掏槽调整为渐进式螺旋掏槽,并增加崩落眼的延时间隔数量,主应力值降低较明显,最大降幅63.45％,开挖轮廓内外的螺栓应力分别降低了77.23％、72.36％,降低后的应力均小于螺栓的屈服强度.位移仅为2.6mm,较优化前降低了27.78％,由此可知此时管片是安全的.     

紧贴桥梁桩底某暗挖区间施工对桥桩的影响分析

为研究紧贴桥梁桩底某暗挖区间施工对桥桩的影响,以下穿小月河桥的北京地铁27号线(昌平线南延)盾构区间隧道工程为背景,对下穿小月河桥段区间盾构隧道进行了设计,并用迈达斯/岩土和隧道分析系统(MIDAS/geotechnical and tunnel analysis system, MIDAS/GTS)有限元软件对盾构区间近距离下穿小月河桥进行有限元分析。研究了大断面盾构区间下穿小月河桥施工过程中桥面、盖梁及桥桩位移变化规律特征;总结了盾构区间近距离下穿桥桩施工过程中桥桩附加应力变化规律;揭示了盾构区间近距离下穿小月河桥施工过程中桥桩差异沉降变化规律。     

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.     

跨越运营地铁隧道超大基坑开挖的土体参数反分析

针对跨越运营地铁隧道的超大面积深基坑建立了大型三维有限元模型,并对基坑开挖引起的周边环境和隧道变形进行分析.根据工程的重要性和信息化施工的需要,利用施工过程的变形监测数据,使用单纯形法对其土体参数进行了反分析.根据编制的单纯形反分析程序和有限元方法计算得到了相关的土体参数,并预测了基坑开挖最终引起的隧道隆起量.结果表明,计算所得隧道隆起预测结果与实际监测数据较为接近.     

下穿已有隧道泥水盾构施工的预测分析

基于2010年上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线工程,结合具体实际地质条件及施工参数,利用Abaqus有限元分析软件,建立三维非线性有限元模型,模拟泥水盾构沿弧线斜下穿已有隧道的施工过程.计算并分析在泥水盾构施工过程中,已有隧道发生的变形、产生的应力以及地表发生的沉降,预测泥水盾构施工对已有隧道和地表的影响,并与实测数据进行比较,说明分析预测的可信性.所得结果不仅对该工程具有积极的指导意义,而且对其他类似工程的分析也具有重要的借鉴作用.     

黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析

基于黄土地层，采用邓肯-张非线性弹性本构模型，考虑盾构隧道开挖过程对周边建筑物的影响，建立了盾构隧道衬砌与土体相互作用的有限元计算模型．对黄土地层中盾构隧道外径和埋深及其与邻近建筑物的距离对地表及相邻建筑物沉降的影响规律进行了数值分析，结果表明：在相同盾构外径下，地面沉降随隧道埋深的增加几乎呈线性减小趋势；在相同隧道埋深下，地面沉降随盾构外径的增加几乎呈线性增大趋势；无论盾构外径如何，隧道顸部及相邻建筑物处的地表沉降值均随隧道和建筑物水平距离与盾构外径比的增大而减小，也随隧道埋深的增大而减小．文中给出了受沉降影响较大的范围，可为地下工程施工时对周边建筑物及地基采取加固措施提供理论依据，并为西部地区的地下工程建设提供参考．