考虑土体剪胀性的盾构倾斜隧道开挖面稳定性分析

考虑土体剪胀效应的影响,对盾构倾斜隧道开挖面的稳定性进行研究。通过构建的盾构倾斜隧道开挖面破坏模式,结合非线性破坏准则和极限分析上限定理,推导出开挖面支护力的解析解,求解了开挖面的最优支护力及潜在破坏面。研究结果表明,隧道倾角α小幅度变化时对支护力的影响较小,而非线性系数m和剪胀系数η对支护力影响较大。隧道倾角α,非线性系数m和剪胀系数η对潜在破坏面影响较为显著。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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 m下对应的临界支护力比λ为0.4、0.3和0.1;不同渗透系数下,隧道开挖面均在支护力比λ≤0.3时出现变形突变,且随渗透系数增加,水平位移量也随之增加,并在开挖面下部3 m左右出现最大水平位移﹒(2)当地层上层为砂土,下层为灰岩时,隧道开挖面变形也主要集中于砂土地层,埋深10、20和30 m下对应的临界支护力比λ为0.4、0.3和0.2;不同渗透系数下,当支护力比λ≤0.2时,在开挖面中心上部1～2 m出现最大水平位移﹒     

盾构掘进速度对开挖面水头分布的影响

盾构掘进过程中隧道掘进面附近水头分布是掘进面稳定分析的重要因素.为此,基于固定在隧道开挖面上参照坐标系,推导了考虑盾构掘进速度、土体的渗透系数以及土体贮水系数的稳态地下水流动偏微分方程.通过伽辽金有限元法,推导了考虑盾构掘进速度的二维稳态渗流有限元方程,编制了有限单元数值分析程序,计算了稳态地下水流条件下,地下水参数和盾构掘进速度的变化对隧道掘进面附近水头场分布的影响.结果发现,在低渗透性土层中进行隧道开挖,掘进速度的增加导致隧道掘进面附近总水头梯度显著增加.水头场的重新分布导致了作用在隧道掘进面的渗透力增加.将考虑盾构掘进速度的数值分析结果与相关实验数据相比较,两者取得较好的一致性.     

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。     

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.     

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.     

实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析

超前注浆管棚支护是一种避免在软土地层或含水地层中盾构隧道开挖面失稳的有效技术．本文同时考虑地下水水位和注浆管棚长度的变化,通过将渗流分析的结果施加到应力分析之中,采用流固耦合数值计算方法得到作用在隧道开挖面的极限支护压力．研究发现,超前注浆管棚支护对高地下水地层中维持开挖面稳定的极限支护压力影响明显,采用该技术后作用在开挖面上的渗透力显著降低     

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。     

曲线段大直径盾构掘进引发管片上浮影响

为研究曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层对管片上浮的影响,针对曲线段盾构隧道施工开挖面支护力、管片上浮的施工风险因素进行研究,采用极限平衡法研究开挖面支护力稳定性的影响,对开挖产生的不规则类棱台型土体进行横向竖向受力分析,建立静力平衡方程,求解开挖面处于极限平衡时的极限支护力.进一步研究开挖面支护力、曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层掘进对管片上浮的影响,并且分析影响管片上浮的地质以及盾构掘进姿态等因素,提出相应盾构管片上浮综合控制措施.结果表明:当破裂角φ1=29.0°,φ2=25.5°时,极限支护力T=128.5 k Pa.应合理控制盾构掘进姿态,保证合理的支护力,防止在上软下硬地层大直径盾构盾尾注浆滞后以及浆液硬化滞后,隧道产生偏离曲线掘进轴线的上下摆动,造成管片上浮;对于上浮比较严重的区域,可以采用双液注浆法,阻止管片上浮;对于已经产生管片上浮的区域,可以采取“上压下放”的方式增加隧道的配重或采用抗拔装置施加外力来抵抗地下水上浮量.     

盾构隧道开挖面对数螺旋破坏模式研究

利用水土压力统一计算理论,将盾构隧道开挖面涉及的水土压力分算参数和合算参数转变为统一参数,该方法可应用于土层为砂土和黏土的情况,特别适用于土层为黏质粉土及粉质黏土的情况.基于上述计算的统一参数和极限分析上限法,推导了考虑水压影响的开挖面对数螺旋破坏模式的极限支护压力解析解公式;并利用土层厚度加权平均法,对多层土体参数和水压力进行了简化分析,从而可将上述解析解公式应用于多层土盾构隧道开挖面稳定性评价中.结合上海长江隧道实例,利用推导的解析解公式对盾构隧道开挖面极限支护压力进行了计算,并将计算结果与前人研究进行了对比分析.结果表明:所建立的开挖面对数螺旋破坏模式可应用于盾构隧道开挖面稳定性评价中.     

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。     

强度折减法在盾构隧道开挖面稳定分析中的应用

为了评价和指导设计施工时盾构隧道开挖面稳定的合理性,把强度折减法应用于盾构隧道开挖面的稳定性分析中,定义了盾构隧道开挖面稳定安全系数的概念,获得开挖面的稳定安全系数与潜在滑动面,并对影响开挖面稳定安全系数的隧道所在土层参数及开挖面的支护压力、地下水位等进行了分析.分析结果表明:弹性模量、泊松比等土层参数对开挖面稳定安全系数几乎没有影响,但是内摩擦角、黏聚力、开挖面支护压力和地下水位等因素对开挖面稳定安全系数的影响很大.     

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．     

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。     

基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引发地表变形

利用泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥水介质渗透的微观机理进行分析.同时,以具体工程为研究对象,结合流固耦合基本原理对由于开挖面泥水渗流所引起的隧道开挖位移场进行计算分析.研究结果表明:泥水介质向开挖面前方土体渗流时,将引起隧道地表附加沉降,且泥水压力大于主动土压力时,泥水压力越大,附加沉降量越大,但总沉降量越小;泥膜渗透系数越小、泥膜厚度越大附加沉降越小;适当增加施工进度有助于减少附加沉降.因此,在高渗透性地层条件下采用泥水盾构施工时,应确保泥水介质的质量,适当提高施工进度,尽量减少泥水渗透对开挖面稳定性及地表变形的小利影响.