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.     

地铁盾构隧道施工对地层变形影响的三维数值模拟

以南京地铁玄武门—新模范马路区间隧道盾构施工工程为背景,使用FLAC3D软件在考虑盾构隧道施工中的开挖、排土、衬砌等步序的前提下,进行盾构隧道掘进施工对地层变形影响的三维数值模拟.结果表明,在盾构掘进施工过程中,地层沉降具有明显的时间效应;地表沉降量随之逐渐增大;地层横向沉降变形随着地层埋深的增加,最大沉降值逐渐增大,沉降槽宽度逐渐减小;地层沉降历时曲线呈现出反"S"形.     

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.     

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。     

地铁盾构隧道施工对地表沉降的影响分析

以郑州市轨道交通5号线某区间盾构隧道开挖工程为例,采用FLAC3D数值模拟软件进行建模分析,将数值模拟软件得出的隧道开挖引起的地表沉降值与实际测量的数值进行对比,得到以下结论:隧道拱顶处沉降最大,拱底处隆起最大;研究断面的横向沉降均呈W形分布;断面一地表最大横向沉降值为14.6mm,对应的数值模拟得到的最大横向沉降值为14.2mm;断面二地表最大横向沉降值为7.6mm,对应数值模拟得到的最大横向沉降值为7.2mm,可知横断面沉降的实测值和数值模拟值吻合度较好,说明数值结果比较可靠。对于地表纵向沉降,开挖过程中,掌子面前方一定距离处地表形成隆起,这与盾构机与土体之间的摩擦有关,在开挖之后距离掌子面20m左右地表沉降基本趋于平稳,左右线的实测值与数值模拟值吻合度良好。断面二隧道穿越的粉质黏土厚度比较大,且自稳性较好,故断面二沉降要小于断面一的沉降,因此隧道开挖面处的地层特性对盾构开挖的稳定性十分重要。     

不同围岩和埋深条件下隧道围岩位移和应力变化规律分析

采用FLAC3D计算了II～V级围岩在30 m、100 m、200 m、300 m、400 m和500 m埋深下的拱顶沉降和塑性压力,II和III级围岩拱顶沉降(包括开挖面拱顶沉降和最终拱顶沉降)随埋深呈线性增大,IV和V级围岩拱顶沉降随埋深呈非线性快速增大;开挖面拱顶沉降收敛比(开挖面拱顶沉降占最终拱顶沉降的百分比)随埋深增大而减小,随围岩等级降低而减小,表明深埋弱围岩中隧道要趁早支护。围岩塑性压力随埋深增加而增加、随围岩等级降低而增加,表明深埋弱围岩隧道支护结构受到的围岩压力大。最后对围岩应力集中及其影响因素进行了分析。     

盾构隧道洞周土压力颗粒流数值分析

对盾构隧道洞周土压力的变化规律进行了数值模拟,研究了不同盾尾空隙、不同直径、不同埋深时隧道洞周土压力的分布规律,分析了隧道正上方土体的应力路径,并对隧道洞周土体竖向位移随埋深的变化规律进行了探讨。结果表明:盾尾空隙小于20 cm时,开挖对竖向土压力的影响区在2.7倍隧道直径范围内,土压力拱主要产生在隧道上部2倍隧道直径范围内;根据隧道正上方不同位置处土体的应力路径,将该区划分为3个区段:1洞周松动区,2稳定的压力拱区域,3土拱效应不明显的区域;随着隧道埋深的减小,其正上方的地表下沉量逐渐增大,而地表沉降的影响范围逐渐减小。     

浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

基于半承压水模型综合考虑土压盾构穿越渗透性地层时覆土层及下卧层的渗透性,推导了盾构穿越层中沿掘进方向的水头分布的解析解,将其与现有的二维渗流场的解析解结合扩展为相应的三维近似解. 同时采用数值仿真得到稳态渗流条件下浅埋渗透性地层的主、被动破坏模式,建立了相应的柱体+弧形转角体模型,将前述三维渗流场引入该模型,通过力矩平衡法得到了相应两种极限状态下开挖面支护压力的计算公式,与既有结果进行对比,此计算方法更接近数值解. 研究发现:施工对开挖面前方渗流场的扰动基本局限在3倍洞径以内,主、被动极限支护压力的值随水头差的增大均线性增加,盾构直径和水头差是影响主动极限支护压力的主要因素,拱顶埋深与盾构直径是影响被动极限支护压力的主要因素,实际施工过程中,支护压力值应尽可能接近水土分算下的土体原始地层侧压力值,并在其附近（最好在其上方）小幅度波动,波动范围应以变形控制标准为依据.      

富水全风化花岗岩隧道变形规律与力学特性

用地质钻机在隧道中心线上方钻取原状土进行土工试验,采用电子水准仪量测地表和拱顶沉降,采用JSS30A数显收敛仪进行隧道水平收敛监测,采用JTM-V2000D型振弦式土压计量测围岩与初期支护间压力、初期支护与二次衬砌间压力,通过对寨子岗隧道围岩变形及压力进行量测,得到了富水全风化花岗岩地区隧道围岩变形规律与力学特性.分析结果表明:深浅埋隧道的划分界限为2倍洞径;隧道洞口段洞顶土体同时存在竖向位移和水平位移;围岩的水平收敛稳定时间及拱顶沉降的稳定时间和隧道埋深关系不大;浅埋隧道的埋深越大,水平收敛值及拱顶沉降值越大,深埋隧道的水平收敛值及拱顶沉降值和隧道埋深关系不大;围岩与初期支护间压力分布比较均匀,浅埋隧道各量测点压力值差异较小,压力随着隧道埋深的增加逐渐增加;深埋隧道各点压力分布的不均匀程度有所增加,各点压力值随着隧道埋深的增加变化很小;围岩与初期支护间压力均大于初期支护与二次衬砌间压力,初期支护与二次衬砌间的最大压力均不大于100 kPa.     

浅埋非圆形隧道开挖引起的力学响应解析解

浅埋非圆形隧道的力学分析对城市地铁隧道的施工安全具有重要意义，其求解难点在于如何考虑重力场的影响以及圆环域保角映射函数的确定.为此，在复变函数理论框架下通过重构解析函数的表达，提出了重力条件下浅埋非圆形隧道力学分析的解耦保角映射方法，该方法将解析函数拆分成两组子函数，并采用不同的局部坐标系进行表达，两组子函数可以分别表达地表边界内与隧道边界外的应力与位移场，同时地表边界与隧道边界也可以单独进行保角映射；利用快速Fourier变换将用于确定解析函数的边界条件方程转化为频域方程进行求解；将本文方法应用于浅埋隧道开挖引起的地表沉降分析.研究结果表明：隧道形状会对地表沉降的大小造成显著影响，其主因素来源于隧道的高跨比；隧道埋深会同时对地表沉降量以及沉降槽宽度产生影响，埋深越小其敏感程度越大；侧压力系数的改变对地表沉降槽的宽度影响较小；与有限元方法相比，本文方法的程序体量极小、计算速度更快且精度更高.     

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。     

哈达铺隧道软塑状Ⅵ级围岩浅埋段施工技术

破碎松散的软弱围岩地段,地表沉降及水平收敛值难以控制,台阶开挖难度大、是施工作业的难点.兰渝铁路哈达铺隧道出口端穿越铁匠沟底浅埋段,地质条件复杂.通过对施工过程中逐段揭示的地层地质研究,对比分析了洞内水平旋喷桩、超前管棚+帷幕注浆、地表旋喷桩等施工工艺的实际效果及适用性,最终选择地表竖直旋喷桩方案并伴以掌子面超前加固及封闭,实现了对软塑淤泥质Ⅵ级围岩浅埋隧道的初期支护变形及地表沉降的有效控制.     

土压平衡盾构隧道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备受关注的问题。以广州地铁3号线某盾构区间隧道为研究对象,运用三维有限差分法对盾构施工过程中影响地面沉降的因素——土舱压力、盾尾注浆压力和地层损失率进行较为系统的研究,可得出结论：影响盾构隧道地表沉降最大的因素为地层损失和注浆压力,增大土舱压力对降低隧道地表沉降的作用非常有限。     

隧道地表沉降监控量测

通过对某隧道洞口处地表沉降的连续观测分析,得出初期支护后的隧道洞口浅埋段地表沉降规律;通过对布测观测点的沉降速率、累计沉降观测分析,总结出地质较差隧道浅埋段的沉降特点,为同类地质条件的隧道支护设计提供参考.     

复合成层地层浅埋隧道开挖地表沉降规律分析

为探究本构模型对浅埋隧道开挖诱发地表沉降规律的影响，考虑摩擦性与临界状态土体本构模型，对复合成层地层浅埋隧道开挖诱发的地表沉降槽进行了分析. 首先，基于PlAXIS 3D有限元平台建立砂-黏复合地层浅埋隧道数值模型，材料模型选用3类本构模型（莫尔库伦（MC）、修正剑桥（MCC）、硬化小应变（HSS））及其组合模型；其次，利用参数等值转换关系，深入探讨了本构模型的选取对隧道开挖地表沉降槽宽度与深度的影响；最后，结合经验公式计算并对比分析，研究基于3类本构模型及其组合模型的沉降槽数值模拟与经验计算结果存在差异的原因. 结果表明:上、下地层均采用HSS模型时，最大沉降量及沉降槽宽度与经验公式的计算结果吻合度较高，最大沉降量相差不超过7.3 mm；上、下地层均采用MC模型时，出现地表隆起的不合理现象；下卧地层采用MCC模型、上伏地层分别采用MC模型和HSS模型，即采用MC -MCC模型和HSS -MCC模型时，其数值预测的最大沉降量高于经验公式计算值，达24.8 mm，而沉降槽形状相对于经验公式预测结果“窄而陡”；在针对HSS模型的参数敏感性分析中发现，若卸载再加载模量与初始剪切模量变化值为5%，将导致地表最大沉降量分别改变1.5%和1.0%.