基于离散元分析盾构动态掘进引起的无黏性地层主应力特征

为阐明土压平衡盾构掘进引起无黏性地层主应力响应特征,采用离散元方法建立土压平衡盾构动态掘进二维数值模型。在同一盾构掘进速率下,考虑不同土仓排土速率,分析盾构掘进引起的地表沉隆变化;取上、下2组极限排土工况,研究盾构掘进过程中排土速率引起的砂土地层主应力变化特征。研究结果表明:盾构掘进引起的地层主应力大小和方向的变化与土仓排土速率密切相关;在不排土工况下,地层主应力的量值和偏转明显,掘进引起地层主应力响应的范围要比排土工况的大,且主应力比排土工况的更不容易达到稳定状态。在排土工况下,掌子面前方会形成明显的应力释放区;在同一排土速度下,掘进过程中地层大、小主应力随盾构掘进变化趋势相似,但变化的程度不同。     

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.     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

考虑地层三维空间分布的盾构掘进模拟

为研究复杂地层条件下盾构掘进引起的地层扰动规律,提出了一种考虑地层三维空间分布的盾构掘进模拟方法. 该方法利用Kriging算法构建三维地质模型,通过条件判断算法将地层空间分布信息嵌入到有限元模型中,进而实现考虑地层三维空间分布的盾构掘进模拟. 此外,采用C#语言编写了复杂地层盾构掘进模拟前处理程序. 以长沙地铁四号线为例,根据掘进断面内极软岩、软岩、坚硬岩的占比,选取具有3种不同地层条件的区段,利用该前处理程序构建了土压平衡盾构机掘进过程模型,并开展模拟. 模拟结果显示盾构掘进断面内极软岩占比增大会导致地表最终沉降量显著增加. 相比于极软岩占比为50%的掘进断面,全断面极软岩处的地表最终沉降量增加了11.67?mm. 模拟结果与实测数据规律一致,验证了所提方法的有效性.     

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.     

隧道掘进对周围土体的沉降影响分析

以盾构掘进工程为研究对象,建立了关于盾构掘进和的管片衬砌的力学模型,研究了由盾构机掘进施工过程对周围土体造成的影响.用ANSYS数值分析软件对所选取的盾构掘进隧道和足够大断面区域土体进行分析,采用Soild45单元来模拟土体和该区域之间的联系,并通过杀死和激活单元来模拟土体的掘进过程.研究结果表明,当盾构机掘进、管片衬砌及注浆的过程中,研究对象会发生沿Y轴对称的非线性变化,沉降量在隧道孔的上下两端达到峰值,但在孔的左右两侧位移量较小.盾构隧道的开挖、建环对地层的影响范围大体呈"V"型,在该地层下地标一倍洞泾以外沉降量较小,且模拟量略小于仪器监测值.     

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.     

硬岩段双模盾构TBM-EPB施工优越性分析

隧道采用盾构法施工时,不同盾构模式的适用地层往往不同,因此在保证隧道安全施工的同时,研究不同盾构开挖模式在同一类地层中的掘进效率,进而选择合适的盾构掘进模式来保证隧道高效掘进具有重要意义.依据深圳地铁13号线留仙洞站—中间风井区间双模盾构(TBM-EPB)工程,通过分析TBM(tunnel boring machine...     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。