大断面矩形顶管隧道开挖面稳定性三维极限分析方法

顶管法因具有综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通和施工安全性高等优势,已被广泛应用于地下人行通道和地下综合管廊等城市地下工程建设中,且以空间利用率高的大断面矩形顶管隧道最受青睐。针对当前大断面矩形顶管隧道开挖面稳定性分析方法问题,基于空间离散化技术,假定破裂面满足相关联流动法则,建立矩形顶管隧道三维离散化分析机构,并基于逐点生成机理形成微元三角形,若干微元三角形相连共同构成一个多面体来近似描述开挖面前方的土体破坏区,形成矩形顶管隧道三维破坏面,进而构建出矩形顶管隧道开挖面三维失稳破坏模型。根据极限分析上限定理,结合矩形顶管隧道三维离散模型和速度场,推导出矩形顶管隧道开挖面支护力的计算公式,建立大断面矩形顶管隧道开挖面稳定性三维极限分析方法,并基于Matlab平台开发了相应的计算程序,实现了开挖面极限支护压力的计算。最后,结合2个工程实例开展了模型可靠性验证,结果表明：计算结果与实测值吻合较好,误差在10%以内,可指导相关工程设计与施工。     

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。     

软弱地层超大矩形顶管盾构隧道开挖面稳定性研究

为保证超大矩形顶管盾构隧道开挖面稳定,本文以某超大矩形顶管盾构隧道工程为背景,建立了软弱地层超大矩形顶管盾构隧道模型,研究了不同内摩擦角因子、黏聚力因子、埋深因子时开挖面位移和支护应力差率曲线,结果表明：（1）埋深因子越大,相同支护应力差率m下矩形顶管盾构隧道开挖面位移越大,开挖面主动破坏时m越小,被动破坏时m越大;（2）黏聚力因子越大,相同m下矩形顶管盾构开挖面位移越小,开挖面主动破坏时m越小,被动破坏时m越大;（3）内摩擦因子越大,相同m下矩形顶管盾构开挖面位移越小,开挖面主动破坏时差率m越小,被动破坏时m越大。研究结论可为类似工程提供参考。     

含水地层盾构隧道开挖面稳定系数研究

研究目的:鉴于我国盾构施工过程中常穿越含水单一(或复合)地层及城市敏感建(构)筑物过程中出现的地面塌陷、建(构)筑物失稳等问题,以成都轨道交通18号线某盾构隧道区间为工程背景,开展含水地层大直径盾构隧道施工组段的开挖面稳定系数研究,以期为优化盾构掘进参数提供参考,避免坍塌发生.研究结论:(1)在对现有盾构开挖面稳定系数...     

基于强度折减法隧道开挖面的稳定性评价

从塑性极限分析机动学方法出发,利用土的强度折减系数概念,建立了隧道开挖面三维稳定性分析模型,确定了潜在破坏模式下的开挖面稳定系数。针对典型问题,通过与楔形体模型、梯形楔体模型以及离心模型试验对比分析,得出的计算结果介于楔形体模型和梯形楔体模型之间,更接近于离心模型试验结果,验证了方法的合理性。     

软土浅埋暗挖隧道开挖面扰动特性及稳定性分析

分析了浅埋暗挖地铁软土隧道开挖后围岩扰动带应力、变形特性、表征方法。利用特征曲线法分析了地层预加固机理。以国内常用的管棚预加固技术为例,提出了利用混合物理论中体积分数概念来分析加固效果的方法,并给出了应用实例。实例计算分析结果表明:采用管棚预加固技术加固隧道拱部可降低地表沉降,但对降低开挖面挤出效应效果有限。     

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。     

浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏形态与临界压力上限有限元分析

采用上限有限元方法分析地层参数(土体重度,内摩擦角,黏聚力)、隧道埋深与直径、土体剪胀效应等因素综合影响下浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏模式与临界压力。研究表明:临界压力系数随内摩擦角增大而增大,且重度比越大临界压力系数增大得越明显;临界压力系数随重度比和埋深比的变化基本呈线性增长;内摩擦角较大时,耗散能密度呈斜向条带状分布,地层向上隆起破坏范围较大;重度比较大时,耗散能密度呈更窄更集中的斜向条带状分布,至地表有所发散;埋深比越大,剪切带起始位置越靠下,并在隧道斜上方弯曲程度越大;地层挤出破坏区域主要出现在隧道正上方,地表鼔出近似呈倒置锅底状,隧道正上方至地表一定范围内地层整体向上运动,斜向上方向变形最大。     

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。     

基于三维点云的隧道施工开挖面岩体结构面迹线识别

隧道施工开挖面岩体结构面迹线是评价隧道围岩等级的重要分析对象,是地质素描的重要内容,而传统的人工地质素描难以快速准确记录结构面迹线,故针对基于隧道三维点云数据的岩体结构面迹线提取方法开展研究.首先,根据三维激光扫描仪的原理,采用先球面投影2次后平面投影的方法将三维点云投影到平面上,以保持点云间的相对拓扑关系;然后,采用...     

西安地铁隧道盾构开挖面支护力安全范围分析

研究目的:本文以西安地铁2号线某区间隧道工程为依托,根据具体的地质情况,运用FLAC3D数值仿真模拟软件以隧道开挖面上方地表点和洞顶点沉降为衡量标准,确定施工中开挖面支护力的安全范围,从而防止隧道穿过埋深变化较大的地点时地表出现过多的沉降和隆起。研究结论:(1)盾构隧道的开挖面存在最小支护力和最大支护力,即支护力具有合理的安全范围。当支护力超出范围时,隧道周围土体易发生破坏,或埋深较浅时地表出现较多沉降和隆起现象。(2)隧道埋深大于1.5倍洞径后,地表点已不能有效反映隧道周围土体变形,应该用隧道洞内测点来监测控制土体变形。(3)开挖面支护力的安全范围随埋深的增加而增加。当埋深较浅时,支护力的安全范围很小,可采用地面堆载的方式来等效达到增大隧道埋深的目的,扩大支护力安全范围,降低施工难度。     

浅埋偏压隧道与邻近隧道开挖顺序分析

以湖北省沪蓉西高速公路关口垭隧道浅埋偏压段为实例,通过有限差分法分析了超浅埋偏压隧道与邻近隧道不同开挖顺序下的受力特点,并以初期支护的内力、安全系数以及塑性区大小作为依据,判断施工顺序的优劣。研究结果表明,当洞身超浅埋偏压隧道和邻近隧道共同施工时,应先开挖邻近隧道,后开挖偏压隧道。     

隧道洞口段开挖面失稳模式及塌方演化机理

针对隧道洞口段开挖面失稳塌方问题,基于有限元极限分析法,从边坡自身的安全性出发分析隧道开挖对边坡的扰动影响,揭示隧道洞口段开挖面失稳塌方模式和机理,进一步分析台阶法施工以及管棚预支护措施对于隧道开挖面安全性的影响,验证隧道洞口段长大管棚施作的必要性.研究结果表明:考虑张拉剪切同步折减的边坡安全系数计算方法,能够真实模拟...     

纯黏土坡三维动态上限分析

针对存在一定坡顶倾角的边坡,基于已有的三维旋转破坏机构,在原有破坏机构中插入平移破坏机构,使改进后的机构更符合实际情况。考虑地震荷载作用,计算边坡的外功率和内能耗散率,将边坡临界高度的求解转化为非线性规划问题,讨论边坡稳定系数和边坡宽度与高度比值B/H两者之间的关系。研究结果表明:随着滑坡体宽度的增大,边坡的临界高度减小;当B/H增大到5以上,临界高度基本上不再变化。     

砂层隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响

通过设计小尺寸模型试验,探究在不同埋深、不同施工方法下砂层中新建隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响。结果表明：隧道开挖面发生失稳时,在开挖面前方地层中产生的松动区先呈半个心形,然后沿竖向和横向扩展,逐渐呈上宽下窄的喇叭形,此时地表产生沉降;不同埋深、不同施工方法下开挖面前方土压力均先迅速减小,然后小幅上下波动,最后趋于稳定;隧道埋深和施工方法对地表最大沉降影响很大,地表沉降随隧道埋深增加而减少,采用中隔壁法施工时地表沉降仅为全断面法的17.7%;隧道开挖面失稳会导致既有框架结构产生纵向弯矩,随隧道埋深增加,结构中更多位置出现纵向弯矩;既有结构内力随失稳程度增加而增大,靠隧道侧既有框架结构受影响更大。     

圆形浅基础地基承载力极限分析的上限解析解

针对圆形浅基础，根据极限分析中的上限定理，选择合适的机动移速度场，推导出地基承载力的上限解析解。绘制上限解析解与粘聚力、内摩探角的关系曲线。同时根据工程实例，进一步检验了上限解析解。     

亚黏土地层隧道台阶七步开挖施工现场测试研究

湖南省衡炎高速公路云阳山隧道进口段为亚黏土地层,由于该地层含水量高、可塑性强、自稳能力差,承载力低,给隧道施工造成困难。根据云阳山隧道亚黏土地层台阶七步开挖法实际施工情况,选取典型断面,进行了拱顶位移、钢支撑受力的量测,研究台阶七步开挖法各施工步骤对隧道围岩和支护结构稳定性的影响,同时进行了地表沉降和位移的监测,特别是对沿隧道纵向地表沉降进行了监测,获得了亚黏土地层条件下采用台阶七步开挖法施工围岩变形以及结构受力的特征,对于台阶七步开挖法的推广应用具有参考作用。     

浅埋软弱地层隧道围岩稳定性分析及综合施工技术

结合沪昆铁路客运专线野火芽隧道工程实例,针对浅埋软弱地层隧道施工,进行了围岩稳定性分析,提出关键施工技术原则,采取了优化浅埋段护拱结构,地表注浆、中管棚无硐室法超前支护、控制安全步距等技术工艺措施,并结合地质超前预报、监控量测资料,及时调整优化施工工艺和参数,顺利完成了隧道浅埋段的施工。