泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律研究

为研究泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律，针对3种典型地层开展流固耦合分析，研究盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的纵向和横向变化规律，提出孔隙水压力扰动比的概念并对其施工扰动的程度进行评价。研究结果表明： 1）泥水平衡盾构在经过软土地层时，孔隙水压力会有明显的下降趋势； 2）泥水平衡盾构掘进会对开挖面前方土体孔隙水压力产生不同程度的水力堆积效应，该堆积效应的产生是泥膜产生的必要条件之一； 3）不同地层中泥水平衡盾构施工对孔隙水压力造成的扰动不同，拱顶位置孔隙水压力扰动最大，拱腰次之，拱底最小； 4）施工中注浆压力的施加与孔隙水压力的扰动程度密切相关；不同地层在不同的开挖阶段横断面渗流场的分布规律和形状不同，拱顶处均表现为水流压力集中点；同时，泥水平衡盾构在施工期对孔隙水压力的扰动有残余效应。     

砂土地层盾构隧道开挖面土体应力状态分析

结合南京某越江隧道工程,建立了模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,研究了越江盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力变化以及由土体应力重分布引发的土拱效应。研究表明： 沿埋深由下至上,土体竖向应力随开挖面位移的增大先减小后保持不变,水平应力先减小后略微增大; 土体侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小; 随开挖面位移增大,开挖面前方局部土体竖向应力和水平应力同时减小,形成失稳破坏区; 失稳破坏区上部土体竖向应力减小,水平应力增大,形成拱顶区; 失稳破坏区四周土体竖向应力增大,水平应力减小,形成拱脚区,土拱效应逐渐发挥。     

大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究

依托江苏江阴澄江西路过江隧道工程,对大直径泥水盾构施工对软土地层的扰动影响进行研究。主要研究方法及结论如下： 1）对盾构掘进中地表纵向沉降规律进行探讨,在前人研究的基础上对引起土体扰动的4个阶段进行验证,得出软土地层施工中不同阶段对土体扰动程度的比例。2）使用ABAQUS有限元软件,建立三维有限元模型,在数值计算中考虑土体非线性变形。通过数值模拟可知,横、纵、竖向位移趋势符合工程实况,最大沉降量与实测数据比较接近;增大上部土层的E,c,φ值可以有效地减小软土地层的沉降量,降低盾构施工对土体的扰动影响。从而论证了通过对土体表层注浆加固可以达到减小沉降,降低土体扰动的目的。     

佛山地铁盾构隧道深厚软土地层预处理方法探究

穿越深厚软土地层的地铁盾构隧道在长期循环荷载作用下，面临不均匀沉降、结构变形超限及其引起的渗漏水、局部结构劣化等病害难题，影响隧道结构全寿命使用功能。以佛山地铁3号线工程为背景，从施工风险、环境影响、投资及运营期结构安全角度出发，对国内地铁工程常用的软土地层土体加固工法进行分析，提出采用格栅式三轴搅拌桩加固作为地层预处理措施。对2种三轴深层水泥搅拌桩加固布置方案进行数值计算分析，对比管片内力与变形差异，确定推荐方案，并通过工程实践进行验证。数值计算与现场监测结果表明： 1）盾构隧道穿越深厚淤泥层时的加固宽度应不小于拱腰外侧3 m，深度应进入下部较好持力层0.5 m左右； 2）与未加固地层相比，地基加固处理后隧道变形可减小30%~40%，结构未发生明显的应力集中。     

扬州瘦西湖隧道全黏土地层泥水盾构施工开挖面稳定性研究

扬州瘦西湖隧道地处全黏土地层,在该类地层中使用泥水盾构施工的案例较少,全黏土地层在盾构施工下的土体力学性质与变形规律尚未得到充分研究。为了解决全黏土地层在盾构施工下开挖面稳定性与各项盾构参数之间的关系问题,采用室内试验与计算模拟相结合的方法对瘦西湖隧道泥水盾构施工停机状态下的开挖面稳定性进行研究分析。研究结果表明:1)盾构停机时,随着停机时间的增长,泥水不断浸入开挖面前方土体,开挖面附近土体应力表现出一定的拱效应,导致开挖面稳定性不断降低;2)在泥水浸润时间相同的条件下,随膨胀土膨胀力取值的增高,开挖面极限支护压力呈现增长趋势;3)根据开挖面失稳原因,提出了开挖面稳定性控制措施,并通过模型计算进行验证。     

砂卵石地层中复合式土压平衡盾构掘进参数及地层变形规律研究

依托兰州城市轨道交通1号线某区间试验段工程,对砂卵石地层中双洞地铁隧道盾构选型和地层变形进行研究。引入盾构扭矩和推力的数学计算模型,计算结果应用于现场工程施工和有限元三维数值模拟中,分析了双洞隧道先后施工时,地层沉降槽的范围、特征、变化规律以及开挖引起的横向和纵向水平方向上地层位移影响范围和影响规律。结果表明： 1）越接近地表,隧道先后开挖对沉降槽的扰动效应越弱; 2）由两隧道同向先后施工引起的地层最终沉降槽非对称特征明显; 3）水平向地层的扰动效应叠加,地层易出现剪切变形,需采取必要防护措施; 4）现场监测结果与数值模拟结果基本一致,证明所采取的施工工法合理,施工沉降总体控制效果良好。     

Lade-Duncan准则下的土拱效应原理计算方法分析

现行挡土墙主动土压力计算方法未考虑土拱效应的影响,因而不能全面地反映土体的三维受力特性对挡土墙土压力的影响。根据Lade-Duncan准则在平面应变状态下的表达式,推导了考虑土拱效应影响的挡土墙后侧向主动土压力系数公式及土体竖向平均应力分布公式,得出挡土墙后主动土应力计算理论。结果表明:基于Lade-Duncan准则考虑土拱效应计算的主动土压力较不考虑土拱效应计算的结果偏小,更接近试验结果和实际情况。     

软土地层双圆盾构掘进对周围土体扰动分析

双圆盾构具有断面形式特殊、开挖面积相对较大的特点,其推进将引起较大的地层扰动,而过大的土体扰动往往引发一系列环境病害。依托上海某双圆地铁隧道区间工程,构建三维弹塑性有限差分模型,计算分析双圆盾构掘进引起的地表位移场以及土体应力场分布,并将数值模型计算结果和现场监测数据进行对比验证。研究表明:双圆盾构施工引起的地表变形横向分布基本符合正态分布,影响区域主要集中在轴线两侧2倍盾构宽度范围内;切口到达时地表隆起,盾尾离开后,后方土体产生沉降,脱离20环左右地表纵向沉降逐渐趋于稳定;盾构掘进对下部土体的影响相对较小,盾构底部土压力增加最小,盾构中轴线上方土压力增量最大。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和前期指导。     

砂土地层中隧道施工引起土层沉降的颗粒流模拟研究

为研究隧道施工条件下土层的沉降规律,利用离散元软件PFC2D,建立隧道-土体颗粒流数值模型,模拟砂土地层隧道施工过程中的土层沉降。研究结果表明： 通过设计,颗粒流方法可有效模拟隧道施工的开挖问题;土拱效应的发挥程度与地层损失率成正比,同时土层剪应变率呈现由隧道中轴线向两侧逐渐减小、由深层向浅层逐渐展开的分布规律。分析结果可为工程实践中分析砂土地层隧道施工引起的土体沉降规律提供理论依据。     

基于ANSYS的悬臂式抗滑桩桩前被动土拱效应影响因素研究

基于水平集中力作用下的明德林应力解，推导出了相邻两桩桩前土体某一深度平面内任意点的附加应力表达式，运用MATLAB计算得到应力等值线的分布，分析了被动土拱效应随桩间净距、桩宽和桩前距离的变化规律。并通过ANSYS对被动土拱效应的影响因素进行了数值模拟分析。计算结果表明:在一定桩身水平位移和桩间距下，相邻两桩桩前会产生被动土拱效应，且随着桩间距的增加，被动土拱效应减弱，土拱范围先增大后减小；随着桩前距离的增加，被动土拱效应减弱。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

昔格达地层滑坡抗滑桩加固离心模型试验研究

由于昔格达地层具有特殊的工程地质性质,西攀高速公路通过昔格达地层时形成较多的昔格达地层滑坡。对滑坡的处治主要采用抗滑桩进行支挡。抗滑桩的设计理念是采用非连续结构,利用土体自身强度形成的拱效应来达到支挡的目的,设计时应进行桩截面尺寸及桩间距的优化,最大限度地利用桩间土体的成拱能力。通过离心模型试验,对抗滑桩加固昔格达地层滑坡形成土拱效应的现象进行研究,再现了桩间土拱形成的现象。试验表明,试验条件下的合理桩间净距约为4 m。采用对比试验方法,研究桩宽度对形成土拱及破坏荷载下拱脚稳定性的影响,发现桩宽度大小对桩间土拱的形状没有太大影响,但在破坏荷载下对拱脚的稳定性有较大影响。因此,在满足同样稳定性要求的前提下,采用较大的桩宽度可以适当地增加桩间净距的大小。     

高填方路堤PHC管桩加固软土地基土拱发育演化特征研究

依托京滨铁路宝坻至滨海新区段JBSG-3标段的建设项目工程,基于现场原位试验,分析在含有软土地层的崎岖地形下填筑大于30 m的路堤,加固高填软基路堤中土体的土拱演化规律,探究预应力高强混凝土（PHC）管桩在高填方路堤中抑制土拱效应的效果。研究表明:群桩（管桩）能够有效地提高桩间土体的承载性能;地基加固方式深受基底压力分布规律的影响,当基底压力呈非均匀分布时,会导致桩间土压力过大,极端情况下局部超过地基承载力设计值;压实桩端土体导致桩间土压力上升和桩承荷载下降现象,若荷载较大时,也存在桩端产生“刺入”现象,引起桩间土沉降速率低于桩体沉降速率;管桩复合加固高填方路堤中土体的土拱演化规律的关键因素是持力层和荷载强度,若桩端产生刺入情况会引起土拱骤停,导致桩间土剪切破坏,引起高填路基整体变形,进一步加深桩体形变量,可通过设置连梁来减少桩体不均匀形变,提高其整体稳定性。     

超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力影响研究

为探究盾构施工时地层中超孔隙水压力的变化、空间分布特征及对盾构开挖面极限支护力的影响程度,以提出泥水压力设定建议,依托大直径过江盾构隧道工程,并基于现场测试数据,对泥水盾构在富水粉细砂地层中施工引起的孔隙水压力空间分布及变化规律进行分析,运用极限平衡法求解有约束的非线性函数,计算分析超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力的影响,并提出修正的极限支护力计算公式。研究表明:1)盾构施工时,孔隙水压力扰动区大致为开挖面前方2倍的开挖直径及开挖面两侧1.5倍开挖直径,且越靠近开挖面,扰动程度越大; 2)富水砂层中开挖面主动破坏极限支护力的设定,受盾构掘进引起的孔隙水压力变化影响较大,应适当提升泥水舱压力,或采用全泥水平衡模式保持开挖面稳定,以减小对孔隙水压力的扰动范围及扰动程度。     

复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究

在超大直径泥水盾构施工中,泥水压力的控制是保证开挖面稳定的关键。依托正在新建的上海北横通道工程,利用三维数值分析方法,总结出适用于软土复合地层超大直径泥水盾构施工的开挖面泥水压力确定方法,并根据北横通道现场实测数据对该方法进行对比分析。研究结果显示: 1）超大直径泥水盾构泥水压力最佳平衡计算点位主要与土层厚度比和上下土层有效内摩擦角差值有关; 2）在近似均一地层中可以取盾构中心点作为平衡点位,这与以往工程经验相吻合; 3）复合地层中可通过理论计算确定最佳平衡计算点位。     

砂土层中盾构隧道竖向土压力的转移机理及其计算

开展了Trapdoor试验来模拟砂土层中盾构隧道的开挖,研究了Trapdoor上部竖向土压力的转移机理,总结了国内外土拱区侧压力系数K的取值,与试验结果进行了对比并给出其建议值。分析结果表明,隧道上覆土体通过拱效应把作用在衬砌管片上的部分竖向土压力传递到两边不动土体,从而导致竖向土压力明显减小,而水平向土压力有所增加;当土拱效应充分发挥时,按侧压力系数K=1计算得到的Trapdoor上部竖向土压力与试验结果比较接近。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

软土地层中盾构施工参数对地表沉降的影响研究

为了解决软土地层中盾构隧道施工参数对地表沉降的影响问题,通过对杭州某地铁区间盾构施工进行监测,分析软土地层地表沉降的一般规律,结合该区间盾构隧道施工,采用ABAQUS有限元软件分析了注浆压力、浆液弹性模量、土舱压力等因素对地表沉降的影响。研究表明:土舱压力对地表沉降影响最大,注浆压力次之,浆液弹性模量的影响最小。地表沉降由土体塌陷沉降和土体固结沉降2部分组成,在盾构试掘进阶段对施工参数进行调整和优化,能较好地控制地表沉降。     

软土盾构法施工引起相邻桩体变形和受力研究

在软弱土质的情况下，进行盾构法施工，盾构的推进引起的力学效应和几何效应、对桩体夔土体产生较大影响。本文从桩体变形和受力的机理入手、从盾构、土体、桩体相互作用的角度分析了盾构法在软土层中施工时引起相邻桩体变形和受力的问题。     

平行抗滑墙间土拱效应机理研究

在软基边坡处理中,采用水泥土搅拌桩连拱抗滑墙构造可提高水平抗弯刚度,抵抗弯折效应.但在无软土边坡中,拱壁的设置不仅不经济,而且影响了抗滑墙间土拱效应的形成,考虑不设拱壁,只研究平行抗滑墙间土拱效应.通过FLAC软件建立分析模型,分析土体的主应力迹线图及不同滑坡推力下Y轴各点X方向应力的变化图,对平行抗滑墙间土拱效应的机理进行了研究.结果表明,墙间土拱效应主要形成于抗滑墙后部末端及墙间位置,且存在大主应力拱和小主应力拱.同时考虑了抗滑墙长度及土体力学参数对墙间土拱效应的影响.对平行抗滑墙间土拱效应的进一步研究有一定的参考价值.