砂土地层盾构隧道稳定性三维离散元研究

为探明砂土地层盾构隧道掌子面的稳定性,以Chambon和Corté开展的模型试验为基础,采用三维离散元方法研究了隧道埋深对隧道掌子面稳定性的影响规律,并从细观角度解释了开挖面失稳机理.离散元模型引入了三维柔性应力边界,将模型试验中空气或流体压力对掌子面的支撑效应抽象为作用在掌子面颗粒上的指定支护压力,逐步减少该压力,结合地层变形精确得到极限支护压力.通过删除进入隧道轮廓内的砂土颗粒模拟盾构开挖,以考虑该施工力学行为对掌子面稳定性的影响.研究结果表明:隧道埋深与隧道直径之比小于等于1.0时,掌子面极限支护压力随埋深增加而增加,此后趋于稳定,砂土地层中极限支护压力比随埋深增加而减少,地表沉降突增点对应的支护压力小于掌子面极限支护压力,失稳区直接发展到地表,工程中应同时关注地表沉降与仓内支护压力以保证开挖面稳定;隧道埋深与隧道直径之比大于等于2.0时拱顶上方形成了稳定的塌落拱,延伸高度分别约为0.7D（隧道直径）~1.3D与0.9D~2.3D.      

水下隧道开挖面三维渗流场解析及涌水量预测分析

开挖面前方地层水压力及渗水量值是水下隧道工程重要参数,也是开挖面支护力设计、超前堵水加固参数设计的重要指标. 针对以往二维渗流模型分析水下隧道开挖面前方三维渗流场的局限性问题,首先,建立考虑开挖面前方渗流等势面为空间曲面的水下隧道三维渗流解析模型;其次,推导以开挖面所在平面为分界线的全部未开挖区半地层空间的水头分布函数,得出开挖面渗水量及前方地层孔隙水压力计算公式;最后,分析超前加固厚度、土体与超前加固渗透系数相对值等因素对开挖面前方水压力及渗水量的影响. 分析结果表明:与以往考虑开挖面正前方为二维渗流场的理论模型相较,三维解析模型能更好地反映开挖面前方空间渗流形态,且涌水量与水压力计算结果误差在5%以内;当掌子面前方加固范围为2倍洞室直径,超前加固区与地层相对渗透系数取值50,为安全合理的超前堵水加固参数.      

各向异性地基中盾构隧道开挖面稳定性分析

将盾构开挖面卸荷引起的主应力轴旋转考虑到"楔形体-棱柱体"极限平衡模型中,基于Casagrande各向异性强度公式,推导得到各向异性地基中盾构开挖面极限支护压力的极限平衡解,最后结合算例分析了各计算参数对极限支护压力的影响。算例分析表明:盾构开挖面极限支护压力随各向异性比的增大而线性减小,在各向异性比小于1时,若不考虑土体强度的各向异性会偏于不安全;在各向异性比大于1时,盾构开挖面极限支护压力随埋深比的增大而先减小后稳定,在各向异性比小于1时,规律则相反,且土体强度各向异性越明显,其变化的幅度越大;盾构开挖面极限支护压力随土体黏聚力的增大而线性减小,随土体内摩擦角的增大而非线性减小。     

砂土地层盾构隧道稳定性三维离散元研究

为探明砂土地层盾构隧道掌子面稳定性，以Chambon和Cone开展的模型试验为基础，采用三维离散元方法研究了隧道埋深对隧道掌子面稳定性影响规律，并从细观角度解释了开挖面失稳机理.数值模型引人3维动态柔性应力边界，将模型试验中空气或流体压力对掌子面的支撑效应抽象为作用在掌子面颗粒上的指定支护压力，逐步减少该压力并结合地层变形精确得到极限支护压力.通过删除进人隧道轮廓内的砂土颗粒模拟盾构开挖，考虑该施工力学行为对掌子面稳定性的影响.研究结果表明,ClD}1.0时掌子面极限支护压力随埋深增加而增加，此后趋于稳定.砂土地层中极限支护压力比随埋深增加而减少.地表沉降突增点对应的支护压力小于掌子面极限支护压力，工程中应同时关注地表沉降与仓内支护压力以保证开挖面稳定.C/D小于等于1.0时，失稳区直接发展到地表,C/D大于等于2.0时拱顶上方形成了稳定的塌落拱，延伸高度分别约为0.7D~1. 3D与0.9D~2.3D.     

大直径盾构隧道开挖面失稳极限平衡分析

近年来大直径隧道在国内外得到越来越多的应用,随之带来的开挖面稳定性问题也受到越来越多的关注,其关键是开挖面支护压力的大小。通过对三维楔形体模型进行修正并采用极限平衡分析方法,推导出适于大直径盾构隧道开挖面局部稳定性问题的理论计算公式。通过对理论公式的分析,存在楔形体最优破坏角及开挖面极限支护压力,分析了楔形体最优破坏角与局部失稳率、土体内摩擦角和隧道覆土厚度的关系,以及开挖面极限支护压力与土体内摩擦角和隧道覆土厚度的关系。     

饱和砂层泥水平衡盾构隧道开挖面稳定研究

饱和砂层盾构隧道掘进过程中,不当的开挖面支护可能导致开挖面坍塌或挤出破坏.为保证开挖面稳定,压力泥浆通常用来平衡开挖面上的土压力和水压力.因为压力仓中的泥浆压力大于地层中的静水压力,泥浆会向开挖面周围地层入渗.在这种情况下,部分有效支护力转化为超孔隙水压力,导致开挖面上的有效支护压力减小,从而降低开挖面的稳定性.因此,设计支护压力时必须考虑泥浆入渗作用和超孔隙水压力的影响.另外,地层成层情况也会影响开挖面稳定性.结合饱和砂层盾构掘进引起的超孔隙水压力计算模型和室内泥浆入渗试验结果,分析泥浆入渗和超孔隙水压力对开挖面稳定的影响,并讨论地层的分层情况和开挖面水力梯度对开挖面微观稳定的影响.研究结果表明:在设计支护压力必须附加额外压力以弥补泥浆入渗过程中有效支护压力的损失;通过对比均质承压水层和半封闭承压含水层中开挖面上的水力梯度发现,相较均质承压含水层而言,盾构隧道在半封闭承压含水层中掘进时开挖面更加稳定;在没有泥浆支护的情况下,开挖面上的水力梯度很难维持开挖面上土颗粒的稳定,因此建议压力泥浆用于饱和砂层盾构隧道开挖面支护.     

复合地层盾构掘进隧道地表沉降及支护受力分析

以海岛复合地层为典型代表,盾构穿越较节理发育的全风化花岗片麻岩时,地表以及地层变形难以控制,其施工安全性是需重点解决的问题之一。以厦门地铁一号线董任站~集美中心站盾构区间隧道为工程背景,对盾构穿越的典型节理复合地层盾构开挖进行数值模拟,探明了复合地层盾构施工地表沉降和支护结构力学行为特征的规律,从而为保证复合地层盾构施工安全提供指导。     

苏州凤凰山连拱加小净距隧道计算

苏州市凤凰山隧道属于软弱围岩中浅埋大跨度连拱加小净距隧道,且隧道穿越凤凰山公墓区,隧道上方公墓密集,对隧道设计和施工技术要求很高。基于地层一结构法,用有限元对隧道施工过程进行模拟,重点分析了围岩位移场和应变场以及初期支护、锚杆和二次衬砌的受力,分析隧道横断面危险点,在设计中采取相应安全措施,并优化开挖工法,计算确定隧道爆破施工和机械开挖的埋深分界点。     

基于连续介质模型的海底隧道支护结构受力特征

在含水地层中开挖隧道,地下水的存在一方面会影响隧道周边地层的力学参数,另一方面也会在围岩中产生渗流体积力,进而影响地层的应力和位移．对于埋深较浅而水压力较高的海底隧道而言,支护结构除承受围岩压力外,还要承受很高的水压力．支护结构的受力特征受隧道围岩和支护结构间接触面剪应力、隧道项板厚度、水深、围岩侧压力系数以及支护结构的厚度和刚度等因素的影响,而经典隧道支护结构内力弹塑性解假设的边界条件与实际情况相差很大．文中阐述了弹性力学应力函数法推导支护结构内力的解析解,并采用数值分析方法研究了海底隧道支护结构的受力特征．通过FLAC3D程序验算了厦门翔安海底隧道V级围岩海域段支护结构的内力,比较分析了断面形状对支护结构受力的影响．     

兰州地铁浅埋大断面饱和黄土隧道施工力学特性研究

以兰州地铁一号线一期工程东岗站浅埋大断面区间隧道为例,考虑应力和渗流场共同作用,构建三维数值分析模型,对饱和黄土地层中大跨区间隧道双侧壁导坑法施工过程进行三维数值模拟分析,获得了孔隙水压力、围岩及初期支护应力、地表及洞壁位移、支护内力的分布特征,为饱和黄土地层中浅埋大断面区间隧道施工提供技术参考.     

盾构隧道开挖面稳定研究进展

在复杂地质条件下,盾构隧道开挖面失稳可导致地表沉降过大,从而破坏地表建(构)筑物及地下管线.通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究现状进行了详述,并指出了今后应深入研究的几个重点:应考虑水土耦合作用;应考虑开挖面地层的变异性;应考虑掘进参数对开挖面稳定性的影响;应加强研究进出洞的切口压力控制.分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向.     

盾构隧道开挖面稳定研究进展

在复杂地质条件下,盾构隧道开挖面失稳可导致地表沉降过大,从而破坏地表建(构)筑物及地下管线.通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究现状进行了详述,并指出了今后应深入研究的几个重点:应考虑水土耦合作用;应考虑开挖面地层的变异性;应考虑掘进参数对开挖面稳定性的影响;应加强研究进出洞的切口压力控制.分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向.     

土压平衡盾构双线隧道施工引起的地表沉降规律研究

盾构法作为地铁隧道施工的一种主要施工方法已在我国得到了广泛的应用，由施工引起的地层移动和地表沉降是盾构隧道设计和施工中非常关注的问题。以广州地铁三号线某盾构区间的两条水平平行隧道为研究对象，运用三维有限差分法对盾构隧道施工引起的地层移动和地表沉降进行了较为系统的研究，得出了两条盾构隧道开挖面距离、注浆压力的大小对地表沉降的影响规律，取得了一些新的认识和具有实用价值的研究成果。     

海底隧道施工过程中初期支护受力特征试验研究

以厦门翔安海底隧道为依托工程,采用相似模型试验方式,研究在海水渗流场和围岩应力场共同作用下,隧道施工过程和变水头过程中,衬砌背后水压力的分布规律及受力特征．研究结果表明,隧道施工期间,在水土压共同作用下,隧道开挖对前方土体的影响范围约为2倍洞径,隧道开挖过后约1倍洞径,初期支护背后水压及应力趋于稳定;在变水头过程中,控制水的排放量对调整初期支护背后水压,保证隧道结构的安全起至关重要作用．试验所得结论与现场情况基本一致．     

既有桩基影响下隧道开挖地层变形规律研究

为了研究城市隧道沿线邻近既有桩基的情况下,隧道开挖导致的地层变形规律,本文通过一个透明土物理模型试验并采用基于PIV技术的土体内部断层三维变形量测系统监测变形,得到了在既有桩基影响下,隧道施工过程中的地层规律。研究结果表明:隧道开挖引起的周围土体变形区域主要位于隧道上方及上方左右两侧,变形主要以竖向沉降为主,水平变形为辅,砂土地层呈现出整体较均匀变形模式,竖直与水平方向变形均大致对应隧道轴线对称;砂土地层中,隧道掌子面在桩基-隧道中心轴线前时,隧道周围地层变形较小,即隧道开挖的影响还未到达(刚到达)该区域;掌子面位置经过桩基-隧道中心轴线切面后,该切面上地层发生持续变形,直至掌子面位置距离该面约2倍直径后重新达到稳定平衡状态,变形基本完成。     

上方大面积加(卸)载引起盾构隧道的变形分析

盾构隧道上方大面积加载或卸载会引起隧道结构发生纵向变形,过大的沉降或隆起会使隧道结构发生裂缝或是环缝张开,导致渗漏水甚至破坏。把隧道结构等效为处于土层中的弹性地基梁,利用Boussinesq解计算加（卸）载在隧道下卧土层中产生的附加应力,基于Winkler模型计算隧道结构的变形。结合上海某地铁隧道上方大面积卸载后加载的工程实例,计算隧道结构的纵向变形,判断结构的安全性,并用有限元计算验证理论计算公式的正确性。     

饱和填土Rankine被动土压力计算

从理论上分析了饱和填土分别处于无渗流和稳定渗流状态时Rankine被动土压力的计算问题。对填土面无超载的情况,当填土中存在稳定渗流时,挡墙仅受被动土压力作用,其大小取填土饱和重度计算;当饱和填土中无渗流时,挡墙同时受被动土压力和水压力作用,土压力取填土浮重度计算。对填土面作用均布荷载情况,当墙背为排水边界时,除荷载作用瞬间外,挡墙仅受被动土压力作用;当填土底面为排水边界时,只有当荷载在墙背引起的超静孔隙水应力完全消散后,挡墙才仅受被动土压力作用。在超静孔隙水应力完全消散前,挡墙同时受被动土压力和水压力作用,其大小和分布随固结度的不同而异;当填土中无渗流时,挡墙同时受被动土压力和水压力作用。     

饱和填土Rankine被动土压力计算

从理论上分析了饱和填土分别处于无渗流和稳定渗流状态时Rankine被动土压力的计算问题。对填土面无超载的情况,当填土中存在稳定渗流时,挡墙仅受被动土压力作用,其大小取填土饱和重度计算;当饱和填土中无渗流时,挡墙同时受被动土压力和水压力作用,土压力取填土浮重度计算。对填土面作用均布荷载情况,当墙背为排水边界时,除荷载作用瞬间外,挡墙仅受被动土压力作用;当填土底面为排水边界时,只有当荷载在墙背引起的超静孔隙水应力完全消散后,挡墙才仅受被动土压力作用。在超静孔隙水应力完全消散前,挡墙同时受被动土压力和水压力作用,其大小和分布随固结度的不同而异;当填土中无渗流时,挡墙同时受被动土压力和水压力作用。