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。     

浅埋微距双线土压平衡盾构水下始发分析

为了研究双线土压平衡盾构水下始发时的施工扰动行为,以广佛环线城际铁路沙堤隧道工程为背景,采用流固耦合分析方法,系统分析有无渗流作用下土压平衡盾构于河道中进行始发的施工响应和地层加固问题,并基于开挖面稳定系数的概念和方法对盾构始发过程中开挖面的稳定性进行分析与评价。研究结果表明,地下水渗流作用会大大增加开挖面失稳风险,引起地表发生较大沉降;始发加固作用可以有效减小地表沉降值,且可以减弱盾构掘进对加固区域外地层的超前扰动;基于开挖面稳定性系数的开挖面稳定性等级分析方法得到的开挖面稳定性分析结果与数值模拟结果基本一致,可以用于盾构隧道开挖面稳定性的分析和评估。     

富水砂卵石地层盾构隧道微扰动施工关键技术

基于近年来富水砂卵石地层中盾构隧道工程遇到的典型问题,对开挖面平衡与盾构掘进、管片拼装、隧道上浮与隧道轴线控制、刀具检修以及风险源加固等方面进行研究。结果表明:螺旋排土—泥膜支护理念兼具泥水盾构开挖面稳定与土压盾构排土简便的特点,可实现保压掘进和微扰动施工控制;基于盾构掘进总推力分析,明确了盾壳摩阻力的影响及减摩措施,进而改善盾构掘进姿态、减少施工扰动;给出管片接缝螺栓拧紧力矩控制值,可有效减少接缝处管片碎裂、接缝张开和渗漏风险;大比重浆液在控制盾尾后方隧道上浮和隧道纵向稳定性方面具有显著作用,可综合考虑采用大比重浆液、增加隧道纵向刚度、隔断隧道纵向水流通道、严格控制切向分力等措施,确保成型隧道轴线与质量满足设计要求;衡盾泥可在开挖面形成"泥墙",并保持一定的稳定压力以满足刀具更换需要;工艺灵活、效果可控的钢管隔离桩技术可起到保护构筑物的作用。     

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。     

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。     

复合式土压平衡盾构隧道开挖面稳定理论与应用研究

简要介绍了土压平衡盾构的应用范围和特点;论述了盾构隧道开挖面的稳定机理和支护压力的计算方法。以ZTE6250复合式土压平衡盾构为例,详细介绍了该盾构的设计思路、稳定隧道开挖面的实现过程以及支护压力的控制方法。     

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。     

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。     

砂卵石地层盾构微扰动施工及掘进控制研究

研究目的:针对北京地铁8号线天桥～永定门外区间右线隧道试验段1～160环掘进施工,结合地层条件分析掘进参数和地表变形间的关系,并对土压平衡盾构微扰动施工控制进行初步探索,以期为砂卵石地层盾构隧道的设计与施工提供借鉴和参考。研究结论:(1)相对于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层,盾构施工在砂卵石地层引起的沉降更大,对地层的扰动也更大;(2)盾构在砂卵石地层中掘进时,按照太沙基松动土压力理论计算得到的开挖面支护压力更加贴合现场实际情况;(3)千斤顶推进速度与螺旋机转速对于调节开挖面支护压力至关重要;(4)盾构在砂卵石地层中掘进所需的推力和扭矩要高于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层中的相应值;(5)由于砂卵石土孔隙率较大,故需要及时调整注浆压力以保证注浆量,从而控制地表沉降;(6)对于砂卵石地层中的盾构施工,通过合理控制盾构掘进参数,可以较好地减小地表沉降和地层损失。     

泥水平衡盾构开挖面失稳特征模拟试验研究

为研究泥水平衡盾构施工过程中开挖面的失稳过程与特征,使用泥水盾构模型装置,通过室内试验模拟泥水盾构开挖面的掘进失稳过程,分析地层水土应力变化规律,总结了不同水位下泥水盾构在砂土地层中开挖面主动失稳的破坏形式.研究结果表明:盾构刀盘前方土压力、超孔隙水压随着支护力减小先缓慢下降后加速下降并保持稳定,此时开挖面失稳破坏;在...     

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。     

加泥式土压平衡盾构开挖面稳定技术

土压平衡盾构施工的关键是控制开挖面的稳定,这是盾构施工控制沉降的核心。结合北京地铁10号线一期工程,分析土压平衡盾构开挖面的稳定机理,提出土压力设定值和泥土压力管理方法;针对泥土的功能和特性,提出泥土的塑性流动态控制和改良控制方法,并对出土量进行分析,得出全面了解开挖面稳定机理是关键、开挖面土压控制管理是确保开挖面稳定的重要环节、土的性状改良和出土量管理是确保开挖面稳定重要因素的结论。     

盾构法地铁隧道施工引起的地表变形分析

以南京地铁1号线许府巷—南京站区间隧道为背景,结合现场监测数据及各项掘进参数设置,对土压平衡盾构在富水饱和粉土、粉砂夹细砂、粉细砂地层中掘进引起的地表变形过程和分布规律进行分析,并使用有限差分法程序FLAC3D对考虑盾构施工工序、地下水位、土仓压力和注浆等因素的地表变形进行模拟计算分析。实测分析结果表明地表变形特征为:沉降速率大,测点最大沉降速率在-12~-15 mm.d-1之间;地层稳定快,盾尾脱出2~3 d后地层即趋于稳定;影响范围小,盾构掘进对隧道纵向地表的扰动在刀盘前方约10 m至盾尾后方16~20 m的范围内,横向地表沉降主要分布在隧道中心线两侧各5~7 m的范围内,地表距中心线20 m以外几乎不受影响。模拟计算地表沉降分布结果与实测数据基本吻合。     

富水砂层近距离隧道盾构始发端头加固技术研究

针对富水地层近距离隧道土压平衡盾构始发过程中地层加固、地下水处理以及隧道之间施工扰动的难题,结合以色列特拉维夫红线始发的工程实例,提出"密封井"的新型端头加固方式,对近距离双线隧道始发端头加固技术进行研究,并对该方法的效果、适用性、经济效益及环境影响进行分析,得出以下结论:(1)相比传统的端头加固方式,该方法工艺简单、...     

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.     

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。     

小净距隧道下穿薄煤层采空区地层开挖稳定性分析

采空区地层离散性大,小净距隧道近接下穿不同倾角薄煤层采空区开挖将引起采空区内腔塌陷。建立小净距隧道近接下穿采空区地层开挖模型,对比分析采空区倾角为0°、15°、25°、40°时先行洞监测面洞周位移和初支内力。结果表明:后行洞初支闭合时,采空区倾角为15°时,拱顶下沉量最大;采空区倾角为40°时,仰拱隆起量和拱腰水平收敛量最大;随着采空区倾角增大,初期支护正(内)弯矩分布和轴力最大位置有向近接采空区侧移动的趋势,偏压越严重;应力集中逐渐由右拱脚向左拱脚移动。最大偏心距出现在拱脚处,采空区倾角为15°时,偏心距最小,初期支护稳定性最好;倾角为40°时,偏心距最大,不利于初期支护稳定。     

小净距盾构隧道施工诱发邻近建筑物沉降分析

针对小净距穿越两栋建筑物的地铁盾构隧道施工引起地表沉降和两侧建筑物倾斜的问题，采用数值模拟方法分析盾构隧道施工对邻近建筑物及其桩基础的影响。结果表明：后行线（北线）开挖引起的隧道轴线上方地表沉降略小于先行线（南线），两者叠加形成的沉降槽呈偏W形；开挖面位置一定时，桩顶沉降大于水平位移，桩底沉降与水平位移接近；随着开挖面接近桩，桩顶沉降和桩底水平位移逐渐增大，在开挖面通过2倍洞径后桩底水平位移逐渐趋于稳定，在开挖面通过6倍洞径后桩顶沉降逐渐趋于稳定；随着开挖面接近桩，桩顶及桩底水平位移朝向隧道，桩中部则远离隧道。     

基于土压平衡模式的盾构穿越密集建筑群变形控制技术研究

沈阳地铁4号线劳动路站—望花屯站区间隧道采用盾构法施工,隧道在曲线段穿越密集建筑物群,且建筑物变形控制标准高,隧道穿越地层为富水黏土地层。根据试验段的土压平衡和泥水平衡两种模式掘进效果对比,提出采用土压平衡模式穿越建筑物。详细探讨了穿越过程的盾构掘进参数、土仓压力设定、B型管片注浆孔设置以及曲线段测量控制技术,研制了适合地层特点和盾构结构特点的同步注浆浆液及刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的间隙填充浆液。建筑物变形监测结果表明:隆起及沉降变形均在允许范围内,极大提高了盾构掘进工效。     

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。