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。     

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.     

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.      

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.      

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。     

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.     

双线性强化隧道和桩孔三剪弹塑性解

将隧道和桩孔简化为厚壁圆筒, 基于三剪强度准则和双线性强化模型, 考虑材料的应变强化和中间主应力效应, 推导了厚壁圆筒在均匀内外压作用下的弹塑性极限解, 并给出恒定外压条件下塑性区半径与内压的关系式, 分析了强化模量系数、半径比、中间主应力与材料强度拉压异性对厚壁圆筒弹塑性极限解的影响规律。研究结果表明: 所得弹塑性极限解克服了Tresca屈服准则与Mises屈服准则未考虑拉压异性, Tresca屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则未考虑中间主应力与双剪强度理论极限解存在滑移面突变现象的不足; 弹塑性极限解均随半径比与中间主应力影响系数的增大而增大, 随拉压强度比的增大而减小, 外压对极限内压的影响程度随着拉压强度比的增大而减小; 当强化模量系数为0.1、半径比为2时, 考虑强化效应的塑性极限内压比不考虑时相对增大10%以上, 随着半径比增大到4, 塑性极限内压比不考虑强化效应时相对增大38%以上, 强化效应影响更加明显, 故对于存在应变强化效应的材料, 采用双线性强化模型的分析结果更接近工程实际; 当不考虑中间主应力与应变强化时, 土体的极限扩孔压力弹塑性极限解与Vesic解相差在0.02%以内, 当考虑了土体的中间主应力和应变强化效应后, 塑性区半径与内半径比为10时, 弹塑性极限解分别是Vesic解的1.06、1.81倍, 因此, 基于Vesic解的极限扩孔压力过于保守。      

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。     

盾构施工参数对土体及单桩的影响

采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工,通过变化注浆压力及推进力研究盾构施工对周边土体及单桩基础的影响.增加注浆压力是减小盾构推进对周围土体影响的最有效的措施.当注浆压力足够大,推进力、盾尾脱离及浆液硬化对土体的影响程度相同.若使隧道顶点的沉降及隧道底部土体的回弹减小相同的数量,底部注浆孔的压力要大于顶部注浆孔的压力.当推进力大于临界值时,推进力对隧道周边土体的影响明显增加.隧道周边及地表处各点的位移变化主要发生在盾构机通过这些点所在位置时,衬砌生成后,随后的开挖步对其影响很小.桩侧隧道洞室衬砌生成后,随后开挖步施加的注浆压力可以明显减小桩顶沉降,注浆压力越大,桩顶最终沉降越小.推进力对桩顶沉降影响不明显.盾构施工引起的桩顶和桩底的沉降始终相同,即桩整体下沉.桩顶无荷载及桩顶施加工作荷载时,开挖引起的桩顶沉降相同;桩顶施加极限荷载时,开挖引起的桩顶沉降明显增加.     

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

不同变位模式黏土非极限被动土压力试验研究

为了揭示墙体平动和转动模式下黏土非极限被动土压力分布规律,采用自制模型箱,进行了墙体平动和转动模式下黏土非极限土压力试验,研究了墙体变位模式以及墙体位移大小对侧土压力的影响规律细化方法,首先进行了室内试验,得到了黏土的基本物理参数,其次进行了模型箱和测试仪器的固定安装,最后进行了挡土墙平移模式（T模式）、绕墙顶转动模式（RT模式）以及绕墙底转动模式（RB模式）3种模式下的土压力试验. 试验结果表明:T模式下,非极限侧土压力沿墙体深度的增加总体趋势增大,局部会有减小趋势,总体接近线性分布,当土体达到极限破坏时,靠近加载墙体处土体表面形成阶梯状错层;RT模式下,侧土压力随墙体的深度总体接近凹曲线分布,上部侧土压力随深度增加较慢,下部侧土压力随深度增加较快,当土体达到极限破坏时,靠近加载墙体处土体表面产生裂纹,模型箱中部土体表面鼓起;RB模式下,侧土压力随墙体的深度的增加先增大后减小,总体接近凸曲线分布,当土体达到极限破坏时,靠近加载墙体处土体表面形成阶梯状错层,其阶梯状错层范围要小于平动模式工况;三者非极限侧土压力合力随着压缩位移的增大而增大,当压缩位移相同时,RT模式下土压力合力与T模式下土压力合力比值在0.53～0.97之间,RB模式下土压力合力与T模式下土压力合力比值在0.65～0.83之间. 结论中是否有可以量化的数据,参考附件模板修改.      

基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱变化规律研究

围岩承载拱理论可很好地解释隧道施工过程中围岩是承载主体,特别是挤压性围岩隧道支护抗力远小于初始地应力,围岩承载主体地位更为突出。围岩强度应力比是挤压性围岩隧道变形分级的主要判别指标。从围岩承载拱理论出发,推导了基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱理论解,建立了围岩承载拱范围与挤压性围岩隧道变形分级的定量关系。研究结果表明:挤压性围岩隧道围岩承载拱厚度随围岩强度应力比减小而增大,随隧道洞径增大而增大,随围岩强度减小而增大,随初始地应力的增大而增大,随支护抗力的减小而增大;通过地层注浆加固改善围岩强度及通过增大支护刚度而提高支护抗力,均可有效降低承载拱厚度,从而提高围岩稳定性。研究成果可为挤压性围岩隧道设计施工提供理论支撑。     

土水特征参数对蒸发面发展影响规律数值模拟研究

基于PDV水气热耦合模型,采用地表能量平衡的边界条件,对土体蒸发过程进行多物理场耦合数值模拟,分析土水特征参数n对蒸发面在地表浅层土体内的动态发展影响规律及原因.研究表明:n较大时蒸发面在土体内以"蒸发面窄条"形式向深处发展,窄条宽度基本不变;n较小时蒸发面上边界长时间位于地表,其下边界随时间持续向深处发展,蒸发面范围随时间持续越来越宽;蒸发面以"蒸发面窄条"形式发展时,窄条下边界含水率有"返潮"增大现象;另一种发展形式蒸发面附近土体含水率随时间单调减小;在1.2n1.6范围内,随蒸发率减小,蒸发面形式会从"蒸发面窄条"最终转换为另一种形式;蒸发面以"蒸发面窄条"形式发展时,其在地表浅层的发展速度随n增加而减小;蒸发面以另一种形式发展时,若蒸发面上边界位于地表,其下边界发展速度随n增加而增大.     

考虑土拱效应的倾斜刚性挡墙非极限主动土压力

引入非极限内摩擦角同侧向位移的非线性关系;根据非极限状态下的倾斜墙背与滑裂面上的应力关系,以及水平微分层单元的水平静力平衡方程,得到了非极限滑裂面倾角,进而得到平移模式下考虑土拱效应和位移影响的倾斜刚性挡墙非极限主动土压力计算式。研究表明:侧向位移比的增大使非极限滑裂面倾角增大,非极限主动土压力系数减小,非极限主动土压力减小;墙背倾角的增大使非极限滑裂面倾角减小,非极限主动土压力系数减小,非极限主动土压力增大;非极限主动土压力随着填土内摩擦角、墙土摩擦角的增大而减小;与已有方法比较,提出的非极限主动土压力理论值与试验值吻合得更好。     

高填方路堤软弱地基的承载力分析

利用应力和孔隙水压力耦合的方法对路堤填筑过程中地基的孔隙水压力分布进行研究。在分析地基中孔隙水压力变化规律的基础上,利用极限平衡方法对地基的稳定性进行分析,探讨了上部荷载以及超孔隙水压力对地基中潜在滑动面形状、位置以及地基极限承载力的影响,提出了高填方路堤软弱地基承载力的合理计算方法。利用此方法研究了路堤下地基极限承载力随强度参数的变化规律,结果表明:软土地基的承载力随黏聚力和内摩擦角的增大而近似线性增大。     

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.     

狭长深基坑支护结构设计的有限元分析

以南京某地铁车站深基坑工程为研究对象,介绍该工程场区的地质条件,支护形式及施工工序;分析该基坑在开挖过程中围护结构的位移、支撑轴力及基坑周围土体地表沉降的变化,通过有限元软件Plaxis对基坑开挖进行数值模拟,并将计算结果与实测结果进行比较分析,二者结果基本吻合,并且通过进一步研究得到了支护结构抗弯刚度EI、坑边超载及开挖对基坑变形规律的影响结果。增加支护结构的抗弯刚度能一定程度减小地连墙的水平位移,随着坑边超载P的不断增大墙顶水平位移不断加大,当P=50 k Pa时,围护结构墙顶范围内发生明显屈服。而随着开挖深度的不断增大,超载对地连墙水平位移的影响系数不断减小。基坑开挖时。地下连续墙最大侧移位置大致位于开挖面附近,且随着开挖深度的增大而逐渐下移。当土体开挖至坑底且未施工底板和垫层时,此时基坑处于最危险状态。     

桩板墙结构加固边坡的稳定性分析

为探讨桩板墙加固边坡的稳定性,根据多块体滑移理论,采用极限分析上限定理,导出了为保证边坡稳定桩板墙结构中抗滑桩应提供的抗力的计算公式,提出了桩板墙结构加固边坡稳定性的一种新的分析方法.用该方法对算例进行了分析,并与旋转破坏模型获得的结果进行了比较.研究结果表明:桩板墙结构中,抗滑桩应提供的抗力随边坡坡角增大而增大,随坡体材料抗剪强度增大而减小;边坡潜在滑移面埋深随坡体抗剪强度增大变浅;按新方法得到的潜在滑移面比基于旋转破坏模型获得的潜在滑移面更危险.      

盾构下穿对基坑稳定性影响的数值模拟分析

地铁施工过程中盾构下穿上部已支护的基坑,将会对其支护结构及周边土体产生影响作用,因此有必要在盾构下穿前采用数值模拟的方法进行基坑稳定性分析。采用FLAC~(3D)软件模拟盾构下穿基坑后,青岛滨海软土区土体和地下连续墙的受力和变形情况,分析不同的下穿深度对基坑的底板沉降造成的影响。研究表明,盾构下穿基坑后底板附近的横向位移较大并成一定角度斜向上对称扩展至地表面,这些部位施工时应注意加固。在一定范围内,基坑底板的沉降量随着盾构形心与地表之间的竖向距离的增大而减小。本项研究成果可以为盾构下穿基坑时土体和支护结构的变形控制以及选择盾构下穿的深度提供一定依据。