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.     

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     

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。     

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。     

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.     

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。     

盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征,依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程,采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析,同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试,分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响.研究结果表明:临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化.管片衬砌结构内力受施工参数影响明显,尤其是千斤顶推力和注浆压力.     

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。     

基于离散元的盾构开挖面合理支护压力

采用离散元法(DEM)对无水砂土地层(摩擦角37°)3种埋深条件下盾构隧道开挖面的颗粒流动及渐进性破坏过程进行了模拟,分析研究了开挖面极限支护压力及周围地层扰动分布的变化规律,得到:①不同埋深条件下,开挖面极限支护压力均出现在开挖面位移为0.06D(D为隧道直径)时,对应支护压力比为10%~20%,砂土强度软化现象导致最终极限支护压力增大.②支护压力比降至40%~50%为剧烈地层扰动及显著地表变形的触发点.当开挖面支护压力比降低至40%~50%时,地层扰动范围和程度对隧道埋深非常敏感,如埋深由2D降低至0.5D时,扰动范围扩大了3倍,最大扰动程度提高了1倍;地表产生明显大幅沉降.③基于极限破坏的支护压力比为10%~20%,而基于变形控制的支护压力比为40%~50%,虽明显大于前者,但支护压力仅为静止土压力的40%~50%.综合考虑盾构刀盘磨损及地层支护效果,在无水砂土地层中采用支护压力比为40%~50%是一种合理选择.     

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.     

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...     

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.     

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,最终导致其整体失稳破坏;相较于无渗流力计算,考虑流固耦合效应时开挖面前方土体土拱效应发挥程度较大,其极限支护应力比远小于1;深径比对浅埋矩形顶管隧道开挖面前方的破坏模式影响较小,但在浅埋情况下与极限支护力呈线性关系。研究结果可为饱和地层浅埋矩形顶管隧道施工提供一定的参考。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。