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。     

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。     

黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解

基于黏性土地层条件下盾构隧道开挖面模型试验和数值模拟的失稳破坏形态,对常规楔形体模型进行修正,建立棱柱楔形体模型。通过极限平衡法得到考虑土拱效应黏性土层盾构隧道开挖面极限支护力的解析表达式。采用FLAC 3D建立数值计算模型,通过多因素敏感性分析方法,确定开挖面破坏极限状态的支护压力比。将本文解析解与数值分析解、既有理论解以及离心机试验结果进行对比,验证了本文解析解的合理性和适用性。     

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。     

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。     

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.     

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...     

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。     

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。     

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。     

上跨既有地铁盾构隧道的深基坑开挖支护技术

介绍南京火车站的站前地下广场西出口基坑上跨既有地铁1号线盾构区间隧道的深基坑支护施工方案,为降低基坑开挖的减载效应对盾构隧道管片结构的影响,采用“基坑抽条开挖、钻孔桩抗拔、深搅桩加固地层”的综合施工技术,保证盾构隧道结构的稳定.     

考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法

隧道开挖面的空间效应对选择合理的支护时机十分重要。本文利用位移释放系数来确定隧道前期变形,提出了考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法,给出了其具体应用步骤,并得出因素影响特性。研究结果表明:中间主应力、围岩剪胀特性及不同施作距离对支护的起始作用位置及围岩稳定变形均有显著影响,但支护压力间的差异却相对较小,因而隧道支护设计既要依据支护压力,还要保证对围岩变形的有效限制作用。     

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。     

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。     

船舶下锚对水下盾构隧道开挖面稳定影响分析

水下盾构隧道建设对海上航道无影响,但航船抛锚会对盾构隧道施工期开挖面稳定性产生影响。基于宁波至舟山铁路金塘海底隧道工程,采用数值模拟并辅以理论分析的方法,研究船舶下锚对水下盾构隧道施工期开挖面影响规律。通过塑性区开展情况确定开挖面前方最小支护力,再基于最小支护力得出开挖面所能承受的船舶下锚力,从而推断隧道施工过程不同船型能否落锚及落锚范围,以保证盾构隧道正常掘进。本文研究方法可为盾构隧道下穿繁忙航道、机场跑道等开挖面上方具有偶然超载的类似工程提供技术支持。     

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。     

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。     

全风化岩层渣土改良对盾构隧道开挖面稳定性的影响

以佛莞城际铁路工程为依托,对泡沫改良渣土进行室内三轴快剪试验,分析不同泡沫比时渣土应力-应变关系和强度特性。建立基于计算流体动力学的三维流固耦合数值模型,分析泡沫比对开挖面支护压力、地表沉降的影响,以及渗透系数对孔隙水压力的影响。分析结果表明:泡沫比为20%的改良渣土比未改良渣土黏聚力减少9.72 k Pa,内摩擦角减少11.18°;开挖面纵向支护压力随着泡沫比的增大而减小;随着改良渣土渗透系数的增大,孔隙水压力明显减少;泡沫比越大,开挖面上方地表沉降越大。     

黏土地层浅埋盾构隧道开挖面三维稳定性上限分析

基于隧道开挖工程实际的破坏形态,提出了更接近于实际的开挖面三维失稳破坏模式,由开挖面前椭圆对数螺旋体和拱顶上部半椭圆球体组成土体松动区,为方便计算将前者划分为多个椭圆锥体滑块,利用极限分析上限法推求出隧道开挖面上极限支护压力的目标函数,并通过与已有文献结果对比验证了方法的正确性.研究结果显示,土体内摩擦角对松动破坏区有...     

侧方基坑开挖对盾构隧道的影响研究

为了研究侧上方基坑放坡开挖对盾构隧道的影响,利用FLAC3D建立三维数值模型,模拟轨道交通侧方基坑开挖的施工全过程,从盾构管片内力及模型位移等角度分析基坑开挖对盾构隧道的影响,并将数值计算结果与现场观测数据进行对比。结果表明,随基坑开挖深度的不断增加,盾构管片及基坑边坡水平位移不断增大,当基坑开挖至坑底时,基坑中部位置处盾构管片变形最大,管片拱肩位置处水平位移最大(为5. 24 mm),拱顶最大竖向隆起为1. 01 mm,拱腰最小曲率半径达482 690 m,管片拱肩位置处存在压应力集中(最大压力为3. 58 MPa)。当基坑内部结构施工完成后,管片水平位移量减小。为减小基坑开挖对盾构隧道的影响,基坑开挖至坑底后应尽快施作内部结构,有利于控制盾构管片变形。