穿越分层地层的盾构隧道开挖面稳定机理研究

基于塑性力学极限分析上限法,通过空间离散技术,建立圆形盾构隧道穿越分层地层时开挖面失稳的三维破坏机构,推导盾构开挖面极限支护压力的计算方法,获得最优上限解。针对单一地层,将极限支护压力计算方法与前人提出的3种多块体模型计算方法进行对比,分析黏聚力、内摩擦角等强度参数差异对极限支护压力的影响,同时验证本文方法的准确性。针对2种地质强度差异较大地层,将此方法和数值模拟计算的极限支护压力进行对比,研究地层差异性对极限支护压力的影响,发现2种方法计算结果吻合度较高。研究表明:极限支护压力随上部软弱地层在开挖断面竖直方向上的厚度占开挖断面总高度的比例增大而增大,并随地层内摩擦角、黏聚力差异的增大而增大。     

浅埋大直径盾构隧道开挖面局部破坏的被动稳定性研究

浅埋盾构隧道施工时开挖面极易发生被动破坏，而大直径盾构隧道开挖面的被动破坏更为复杂。利用极限分析上限法建立浅埋大直径盾构隧道开挖面被动稳定性分析的二维破坏机制，该机制考虑了仓内土压梯形分布和仰拱上方处开挖面局部破坏的影响，并提出开挖面局部被动破坏时的极限支护压力上限解。通过对计算结果的参数分析发现，无黏性土的开挖面极限支护压力是土体有效内摩擦角φ^′和归一化无量纲参数埋深比C/D的函数，同时φ^′和C/D对开挖面局部被动破坏的起点位置存在影响；而黏性土的开挖面极限支护压力是φ^′和C/D以及有效黏聚力c^′的函数，但是有效黏聚力c^′对极限支护压力的影响要小于φ^′和C/D的影响。将本文与已有上限解进行对比，验证了本文所提上限解的有效性，结果表明，本文的上限解能够预测开挖面任意深度处的局部被动破坏的通解，而已有上限解只是假定开挖面发生全局被动破坏的特解。最后，结合实际工程验证上限解的合理性，该计算方法能够合理评价浅埋大直径盾构隧道开挖面的被动稳定性。     

砂卵石强透水地层泥水平衡盾构隧道开挖面极限支护压力研究

以兰州市轨道交通1号线穿河段泥水平衡盾构隧道为工程背景,针对砂卵石强透水地层盾构隧道开挖面稳定性问题,应用FLAC 3D建模分析渗流作用下隧道开挖面的极限支护压力。结果表明:隧道开挖后围岩渗流场发生改变,产生水压力差,造成地下水沿洞周渗出,孔隙水压力等值线呈漏斗状分布;渗流作用下开挖面极限支护压力为107 k Pa,岸堤经泥水盾构下穿后沉降量较小。最大沉降现场监测值与数值计算值误差为11.1%,表明计算模型合理,计算结果可靠。     

盾构隧道穿越富水砂层开挖面稳定性分析

基于数值仿真方法,得到盾构在砂土地层中掘进时地下水稳态渗流条件下孔隙水压力的分布特征,对计算结果进行拟合可得隧道覆土层中竖向孔隙水压力及穿越层中水平水头分布的函数表达式。将此竖向孔隙水压力叠加到太沙基松动土压力计算模型,进而求解隧道拱顶处竖向有效松动压力,同时将该有效松动压力与水平水头分布函数引入到经典楔形体模型中,得到维持隧道开挖面稳定的主动极限支护压力。计算结果与离心试验结果的吻合度较高,可对盾构隧道在渗透性砂土地层中施工时开挖面的稳定性进行可靠评价。     

考虑土体剪胀性的富水盾构隧道掌子面支护反力非线性上限解

考虑土体剪胀性和孔隙水效应,在非线性破坏准则下研究盾构隧道掌子面的稳定性。利用极限分析上限法构建盾构隧道掌子面的对数螺旋曲线破坏机构,根据虚功率原理推导掌子面支护反力的解析解,利用序列规划算法得到了支护反力的最优解。研究结果表明,假定土体服从相关联流动法则,会明显低估支护反力,相对误差可达到29%。不考虑孔隙水效应,会显著低估支护反力,相对误差可达到56%。此外,土体剪胀系数以及孔隙水压力系数对掌子面的破坏范围也有显著影响。建议在计算盾构掘进推力时,应该考虑土体的剪胀性、破坏准则的非线性以及孔隙水效应,否则会造成结果严重偏小而导致掌子面发生坍塌破坏。     

曲线盾构隧道开挖面极限支护力研究

研究目的:曲线盾构隧道掘进施工存在巨大安全隐患,受盾构刀盘超挖、盾壳挤压内壁土体和千斤顶不对称推力等因素的影响,致使开挖面前方变形复杂,开挖面稳定性难以控制。基于筒仓理论,本文提出曲面梯度楔形棱柱体开挖面极限平衡模型,推导曲线盾构隧道开挖面极限支护力理论计算公式;进而以济南地铁R1线王府庄至大杨庄区间段曲线盾构隧道为工程背景,探究不同曲率半径下开挖面的变形分布特征,以期为曲线盾构隧道掘进开挖面稳定性提供科学的理论指导。研究结论:(1)曲线盾构隧道开挖面破坏呈现不对称分布,受开挖面偏心支护压力的影响,开挖面前方土体形成曲面梯度楔形棱柱体平衡模型;(2)随着曲率半径的减小,开挖面位移和极限支护压力先增大后减小,且支护压力非常规的按中心支护力进行计算,而是偏向于曲线外侧,其值大于直线盾构隧道;(3)极限支护压力随开挖面土体黏聚力、内摩擦角增大而增大,随两侧破裂角的差值增大先呈现增大趋势,当β132.3°后减小,最后趋于平缓;(4)本研究成果可为曲线盾构隧道施工开挖面稳定性及其支护提供理论指导和科学依据。     

盾构隧道开挖面支护力上限分析

盾构在掘进的过程中,必须确保隧道开挖面前方土体的稳定。将隧道沿纵向简化成平面应变情况,利用双对数螺旋线破坏模式,基于极限分析上限定理,对隧道开挖面前方土体的主动破坏形式进行研究。将盾构机作用在开挖面上的支护力视为均布荷载,得到支护力的上限解,利用Matlab软件编程求解该上限解的最优解,讨论各参数对破坏模式形状和支护力大小的影响。研究结果表明：破坏模式的形状由内摩擦角φ决定;随着黏聚力c和内摩擦角φ的增大,隧道的支护反力σt减小。     

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。     

砂卵石地层盾构开挖面极限支护压力计算模型研究

以成都地铁1、2号线为背景,在分析砂卵石地层盾构施工开挖面破坏模式基础上,提出使用梯形楔形体模型计算开挖面极限支护压力;对开挖面极限支护压力计算公式进行重新推导,推导过程中考虑滑动块侧面三角形和滑动块顶部与外部土体相互作用力.通过颗粒离散元数值计算,在三维空间修正太沙基松动土压力计算公式;结合开挖面稳定性数值计算成果,分析计算模型中主要参数的选取;提出适用于砂卵石地层的修正梯形楔形体模型极限支护压力公式;对计算公式进行对比分析和验证分析.     

黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解

基于黏性土地层条件下盾构隧道开挖面模型试验和数值模拟的失稳破坏形态,对常规楔形体模型进行修正,建立棱柱楔形体模型。通过极限平衡法得到考虑土拱效应黏性土层盾构隧道开挖面极限支护力的解析表达式。采用FLAC 3D建立数值计算模型,通过多因素敏感性分析方法,确定开挖面破坏极限状态的支护压力比。将本文解析解与数值分析解、既有理论解以及离心机试验结果进行对比,验证了本文解析解的合理性和适用性。     

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。     

非线性破坏准则下浅埋隧道支护参数上限解

鉴于土体材料破坏准则的非线性以及参数离散的自然属性,针对浅埋隧道的稳定性问题,提出基于极限分析非线性理论的可靠度计算方法。研究结果表明:将非线性破坏准则退化成线性破坏准则后,本文计算结果与已有研究成果基本一致,验证了文中方法的正确性。在上限解分析中,土体的非线性系数对围岩压力以及破坏范围有很大影响,建议进行支护设计时必须考虑土体破坏准则的非线性,防止因支护力过小或安全系数不足而引发坍塌事故。在可靠度计算中,非线性系数是影响隧道结构可靠度的主要因素,针对非线性系数给出了浅埋隧道满足3种安全等级所需要的安全系数与支护力,为隧道设计规范进行了补充,也为今后浅埋隧道的支护设计提供了参考价值。     

浅埋隧道塌方机理上限分析

对浅埋圆形隧道的塌方机制的预测是一项极为复杂的工作。基于Hoek-Brown破坏准则下,运用极限分析原理,对浅埋圆形隧道的破坏机制进行分析。在考虑支护力和孔隙水压力的前提下,对岩体内部进行能量耗散计算分析。推导出塌落面目标方程的参数表达形式。代入不同的参数值,绘制出具体的塌落面形状。分析讨论各参数对潜在的塌落形式的影响。研究结果表明：孔隙水压力系数ru 和参数B增大,塌方范围减小;参数A和σt 增大,塌方范围增大。     

地震效应和孔隙水压力对边坡稳定性影响的上限分析

以极限分析上限定理为基础,在考虑孔隙水压力、竖向和水平地震作用影响下对边坡进行稳定性分析,推导出边坡在孔隙水压力和地震力共同作用下的边坡临界高度和边坡稳定性安全系数的表达式,并采用序列二次归化法对所得公式进行优化计算,与其他已有的研究结果对比验证该方法的正确性。对影响边坡稳定性的一些因素进行分析,研究结果表明:随着孔隙水压力、地震效应影响系数的增加,边坡稳定安全系数和潜在滑裂面均变化明显。     

三级台阶边坡稳定性分析的上限解研究

在极限分析理论的基础上,研究三台阶边坡的稳定性问题。基于极限分析上限定理,建立三台阶边坡的破坏机构,推导其外部功率与内部能量耗散功率的平衡方程,求出其临界高度的上限解。将由本文计算出的稳定系数与已有计算结果进行对比,证明该方法的正确性及有效性。     

水土耦合对盾构土拱效应及最小支护力的影响分析

盾构隧道开挖面最小支护力与开挖面上方土拱效应密切相关。模型试验结果显示,地下水的存在会减小开挖面上方土拱高度;数值计算结果表明,砂土内摩擦角变化是地下水影响土拱高度的主要方式。针对此现象,本文结合楔形体模型对开挖面最小支护力计算方法进行分析,提出计算开挖面最小推力的修正系数,即通过对上方棱柱体受到的侧土压力系数进行修正来体现地下水对开挖面上方土拱效应的影响。分析结果表明:地下水的存在能够减小最小支护力与上覆土压力的比值,有利于土体稳定;在最小支护力计算中需采用饱和砂土的有效内摩擦角,否则将降低开挖面安全系数。     

曲线盾构隧道开挖面被动极限支护力分析

研究目的:曲线盾构隧道在掘进过程中,开挖面受力极其复杂,稳定性难以控制,容易因千斤顶推力过大而造成前方土体的隆起现象。本文以砂土地层为例,基于筒仓理论和极限平衡法,建立曲线盾构隧道开挖面在前方土体被动破坏条件下的"倒梯台-楔形棱柱体"分析模型,提出开挖面被动破坏极限支护力计算方法,然后通过编程试算和数值模拟验证本文所述模型及计算方法的可靠性与准确性。研究结论:(1)被动极限支护力随埋深和内摩擦角的增加而增大,且增长速率逐渐加快;(2)当线路曲率半径小于200 m且土体内摩擦角大于25'时,被动极限支护力对线路曲率半径非常敏感,当线路曲率半径大于800 m时被动极限支护力与直线隧道几无差别;(3)数值模拟结果显示,数值解与理论解变化趋势一致且相差较小;(4)本研究结果可为类似曲线盾构隧道,尤其是小转弯半径盾构隧道开挖面被动极限支护力的确定提供理论基础。     

全风化岩层渣土改良对盾构隧道开挖面稳定性的影响

以佛莞城际铁路工程为依托,对泡沫改良渣土进行室内三轴快剪试验,分析不同泡沫比时渣土应力-应变关系和强度特性。建立基于计算流体动力学的三维流固耦合数值模型,分析泡沫比对开挖面支护压力、地表沉降的影响,以及渗透系数对孔隙水压力的影响。分析结果表明:泡沫比为20%的改良渣土比未改良渣土黏聚力减少9.72 k Pa,内摩擦角减少11.18°;开挖面纵向支护压力随着泡沫比的增大而减小;随着改良渣土渗透系数的增大,孔隙水压力明显减少;泡沫比越大,开挖面上方地表沉降越大。     

隧道下穿新大力寺水库施工稳定性分析

针对水库水的渗流对浅埋暗挖隧道开挖及后期运营的影响问题,采用数值模拟的方法,研究了在各种渗透系数条件以及隧道开挖与地下水渗流影响下的隧道稳定性。分析表明:水库水的渗透以及隧道开挖会对上覆土体的稳定性造成较大影响,甚至可能会导致坍塌事故的发生。随着隧道的开挖,水库水开始发生渗流现象,并造成围岩塑性区快速发育,其中以拱顶位置塑性区范围最大;围岩渗透性越强,隧道顶拱和拱腰部位的渗透应力越小;随着渗透系数的增大,隧道的孔隙水压力、围岩位移、塑性区范围均出现较大的增长,并可能引起隧道的渗流失稳破坏。     

基于响应面法的挡土墙多失效模式可靠度分析

为预防土体发生主动坍塌破坏和被动挤出破坏,研究挡土墙需提供的合理支护力范围,基于极限分析上限法构建挡土墙的主动坍塌和被动挤出2种失效模式,根据虚功率方程求解主动土压力和被动土压力,得到支护力范围。在此基础上,考虑土体参数以及支护力的随机性,建立挡土墙的多失效模式可靠度模型,采用响应面法求解了可靠度,并且引入目标可靠指标获取支护力范围。研究结果表明:与单一失效模式下的结果相比较,基于多失效模式所得到的结果更优。建议采用多失效模式可靠度模型分析挡土墙的稳定性,所得到的支护力范围更合理。