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.     

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。     

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.     

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.     

泥水盾构隧道开挖面稳定性研究探讨

通过对盾构开挖面稳定性几种主要研究方法的探讨，主要包括整体稳定理论、模型试验、数值模拟研究等方法的综合分析，总结概括了盾构隧道开挖面稳定性的各种计算方法及其相应的优缺点，为将来的开挖面稳定性研究工作提供了指导和依据。通过综合各种开挖面稳定性分析方法，提出将各种方法结合使用，如采用离散单元法与解析解相结合的方法，将使开挖面稳定性分析方法更为科学合理。     

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。     

考虑土体强度非线性的富水盾构隧道开挖面三维稳定性研究

为了计算高水压条件下开挖面有效支护力,评估盾构掘进的安全性,在极限分析上限理论框架下,构建开挖面三维曲线圆锥主动破坏机构。首先,采用切线法将非线性强度准则线性化,并引入经验水头公式描述开挖面附近水头分布;其次,提出一种水平分层积分法来计算渗透力功率,建立考虑渗流效应的功率平衡方程;第三,求解盾构土仓内有效应力目标函数,采用序列二次优化算法优化目标函数,求得支护力的最优上限解;最后,通过对比,验证本文计算结果的合理性和正确性,分析非线性系数和水位高度对有效支护力的影响。研究结果表明：在渗流条件下,非线性系数和单轴抗拉强度对开挖面稳定性的影响不利,增大初始黏聚力有利于开挖面的稳定,水头差对支护力具有显著的影响。     

砂卵石层盾构开挖面失稳分析及双参数掘进控制

为探究砂卵石层盾构施工的开挖面失稳过程和支护力设定方法,针对成都地铁盾构掘进施工超挖失稳实例,开展了三维工程离散元(EDEM)分析,对不同支护力分布形式的极限支护力和开挖面稳定性进行分析。进而结合盾构施工超挖失稳区段的掘进参数,考虑盾构机整体机械性能配置,提出了开挖面稳定性双参数控制建议值。结果表明,开挖面失稳位置与支护力分布形式有关,开挖面处于极限状态时,盾构上方0.75 D(D为隧道直径)范围内产生土拱效应,当支护力逐渐减小至0.1 P₀(P₀为初始静止状态支护力)时,失稳区发展到地面;盾构掘进时应保持土仓适当欠压,并降低刀盘转速,为可能遇到的大粒径漂石和土仓压力控制预留足够的富余扭矩。     

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.     

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。     

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...     

软弱围岩下浅埋隧道稳定性的能量分析

基于能量的角度,采用极限分析理论中的上限定理对软弱围岩下浅埋隧道的稳定性进行分析,得到了围岩压力的理论公式。研究表明:埋深、土体容重越大及黏聚力、内摩擦角越小,浅埋隧道的围岩压力越大,破坏范围也越大;当埋深较大、围岩较好时,浅埋隧道由于自稳能力有可能不会发生破坏,而对于比较差的围岩,在施工过程中应采取更为安全可靠的支护措施,以防止发生垮塌破坏。     

非线性破坏准则下浅埋隧道围岩压力的极限分析

采用土体非线性破坏准则,基于浅埋隧道的泰沙基破坏模式,利用极限分析法中的上限定理,推导非线性破坏准则下浅埋隧道围岩压力的计算公式。运用序列二次规划算法进行优化分析,得出围岩压力上限解的最优值。研究结果表明:当非线性系数m=1时,非线性破坏准则变成线性Mohr-Coulomb准则,本文方法的计算结果与泰沙基极限平衡法的计算结果比较接近,证明了本文方法的有效性;非线性系数对围岩压力上限解有较明显的影响。     

偏压隧道围岩压力分布规律理论研究

结合偏压隧道围岩压力的理论公式,分析偏压隧道围岩压力和破坏范围与地表倾角、埋深和围岩条件的关系.结果表明:地表倾角越大,则深埋侧的破坏范围越大,而浅埋侧的破坏范围减小;偏压程度随着埋深的增大而减小;破坏范围随着摩擦角的增大而减小,偏压程度随着计算摩擦角的增大而减小,提高软弱围岩的力学参数可以有效地改善隧道的偏压情况,而...     

黄土边坡稳定性计算方法研究

目的目前对于多土层、多台阶的边坡进行稳定性分析时,大多对土性参数、坡率进行加权平均来对边坡进行稳定性分析,没有考虑到大部分坡顶都有一定倾斜,这必然会产生一定的误差。为了克服这些问题,我们对边坡作进一步的研究。方法考虑边坡土体分层情况、坡顶坡率、防护力的大小(无防护时为零)及作用点高度,做出边坡的受力模型图,求导出能够反映黄土边坡实际情况的稳定性表达式。结果通过对该方法求导的稳定性表达式进行计算机VB编程,能够简单方便的求解出边坡的稳定性状况及间接求导出使边坡达到稳定时所需防护力。结论该方法取代对坡体土性加权平均,考虑了不同土层的情况,同时考虑坡顶倾斜的情况来对边坡进行稳定性分析,所得结果能够进一步接近黄土边坡的实际情况。