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.     

正交下穿截污管盾构开挖面被动失稳颗粒流模拟研究

目的 对砂土地层土压平衡式盾构下穿截污管施工工况进行研究,以解决由于支护压力过大导致的开挖面被动失稳问题。方法 以沈阳地铁三号线下穿截污管区段为背景,利用颗粒流程序建立数值模型,研究截污管存在下的开挖面被动失稳模式、支护压力变化以及地层应力分布。同时分析了管隧垂直净距与细观摩擦系数对极限支护压力的影响。结果 开挖面失稳模式和极限支护压力均受盾构开挖位置的影响,当开挖面位于管道前方1.0 D时,管道对失稳模式的影响最大;盾构穿越管道前,管道下部土层出现应力增大现象;极限支护压力随着管隧垂直净距、颗粒摩擦系数的增大而增大。结论 在盾构接近且未穿越截污管时,管道对开挖面被动失稳机理产生了显著影响。     

盾构施工引起的超孔隙水压力解析解

基于MohrCoulomb屈服准则,在考虑土体的内摩擦角φ的情况下,推导了盾构通过时引起的超孔隙水压力的公式并与φ=0的情况作了比较,表明φ值使得塑性区范围和超孔隙水压力值变大.塑性区的范围和塑性区内超孔隙水压力的主要影响因素是盾构土舱压力,但弹塑性区交界处的超孔隙水压力值为a6ccosφ(a为Henkel系数,c为土的粘聚力),与土舱压力无关.以上海地铁10号线同济大学站—国权路站区间隧道为实例,对此进行现场监测,结果显示解析解与实测值吻合较好;提出开孔释放超孔隙水压力对策,经实践检验非常有效.     

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.     

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.     

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。     

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     

盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析

土压平衡盾构机的安全掘进施工主要依赖于盾构机刀盘与土体的相互作用,使得地表的变形得到有效控制。基于Rankine的土压力理论,研究了盾构机刀盘合理土压力的设置问题,模拟了盾构机刀盘与土体的相互作用。研究表明,仅从保证地表既不隆起又不沉陷的约束条件考虑,掘进工作面从主动土压力到被动土压力存在较大的范围。考虑到减少刀具磨损和节约能源问题,推荐理想的掘进工作面土压力为静止侧向土压力。     

粉性土中土压平衡盾构施工的扰动影响

结合上海轨道交通明珠线二期工程“溧阳路站—临平路站”区间盾构推进工程,进行静力触探试验、超孔隙水压力测量以及地面沉降的量测.从上述不同角度,分析了EBP(土压平衡)盾构在粉性土中推进对土体扰动、变形的影响,研究了受影响区域土体静力触探强度、超孔隙水压力随着时间的变化趋势及随之表现出来的地面变形趋势,得出了超孔隙水压力发展的规律及经验公式,并总结分析了三者之间的相互关系.为今后盾构施工扰动的分析及控制提供有益的参考.     

考虑土拱效应的盾构隧道开挖面稳定性

在考虑松动土体内的三维土拱效应和开挖土体与刀盘摩擦力的基础上,改进了传统的筒仓楔形体模型计算方法.结果表明:最小土压应力并不是传统方法假设的均匀分布形式,而是近似呈抛物线分布;土的黏聚力、内摩擦角、刀盘与松动土体间的摩擦角以及埋深等物理参数对其最小土压应力均有一定程度的影响;降低刀盘与开挖面土体间的摩擦角可以显著增加开挖面的极限稳定性.通过与模型试验结果和其他计算方法的对比分析,验证了本文计算方法的合理性.     

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.     

盾构机密封舱土压力分布的有限元数值模拟

为了确定盾构机密封舱渣土的非线性本构模型及其模型中的参数,提出了基于三轴压缩实验数据的参数反演方法。基于土压力理论,建立了盾构机掘进工作面土压力分布模型。基于Duncan-Chang非线性双曲线本构模型,数值模拟了土压平衡盾构机密封舱内的土压力分布特性。数值模拟结果表明:密封舱隔板上的土压力与掘进工作面土压力存在压力差,其大小与刀盘开口率有关。数值模拟的密封舱内土压力分布场为密封舱土压力分布式控制系统提供了参考模型。     

基于模糊层次分析法的岩溶区土压平衡盾构适应性评价

土压平衡盾构作为一种较为先进的隧道掘进机械,由于其安全、可靠等优势,在我国的城市地铁隧道工程施工中得到了广泛的应用。我国南方地区岩溶地层非常普遍,土压平衡盾构在岩溶地层中掘进容易产生“栽头”、刀具不均匀磨损等问题,因此评价岩溶地层条件下土压平衡盾构的适应性是非常有必要的。本文依托南宁地铁4号线2标相关盾构隧道工程,分析岩溶区各方面因素对土压平衡盾构适应性产生的影响,通过层次分析法确定最终的土压平衡盾构在岩溶地区的适应性评价指标,参考已有研究成果结合模糊数学方法确定评价指标的隶属函数,构造了岩溶区土压平衡盾构适应性评价模型,提供了岩溶区土压平衡盾构适应性评价方法。以南宁地铁4号线2标“良良”、“体良”和“清龙”盾构区间所采用的土压平衡盾构机为应用实例,现场盾构施工情况与本文提出的评价方法的评价结果匹配较好。本文提出的岩溶区盾构适应性评价方法对类似地层盾构机评价及应用具有一定的指导意义。     

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...     

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.     

江底盾构隧道施工期流固耦合分析

渗流场对于高水压条件下施工期间水下盾构隧道结构及围岩应力场有很大影响.采用有限元方法,通过对江底盾构隧道施工期渗流场单场数值模拟和流固耦合分析,获得施工期渗流场分布特征、围岩位移场分布及衬砌背后孔隙水压分布等,对比分析了双洞同时开工及先后施工的隧道开挖断面周边位移、孔隙水压变化等差异,并提出高水压下隧道地下水排导方式,所得结论可为类似工程的设计施工提供了有益参考及依据.