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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

三维离散机构在盾构隧道渗流稳定分析中的应用研究

基于极限分析上限定理,利用三维离散破坏机构对渗流作用下盾构隧道开挖面稳定性进行研究。通过将渗流效应等效为孔隙压力做功,提出三维离散破坏机构下的渗流稳定性分析方法,推导相应的孔隙压力功率公式。结合开挖面附近的孔隙压力分布方程,计算三维离散破坏机构中总孔隙压力功率,根据内外功率互等原理进一步推导渗流条件下开挖面临界支护力的表达式,通过优化计算得到临界支护力的最优上限解。利用数值模拟及已有算例对得到的临界支护力结果进行验证,证明了本文方法的有效性。利用该方法研究水位高度、开挖面透水性等因素对临界支护力的影响,并初步分析隧道破坏范围的变化情况。本文还提供了计算图表,便于工程上快速计算及分析。     

水土耦合对盾构土拱效应及最小支护力的影响分析

盾构隧道开挖面最小支护力与开挖面上方土拱效应密切相关。模型试验结果显示,地下水的存在会减小开挖面上方土拱高度;数值计算结果表明,砂土内摩擦角变化是地下水影响土拱高度的主要方式。针对此现象,本文结合楔形体模型对开挖面最小支护力计算方法进行分析,提出计算开挖面最小推力的修正系数,即通过对上方棱柱体受到的侧土压力系数进行修正来体现地下水对开挖面上方土拱效应的影响。分析结果表明:地下水的存在能够减小最小支护力与上覆土压力的比值,有利于土体稳定;在最小支护力计算中需采用饱和砂土的有效内摩擦角,否则将降低开挖面安全系数。     

孔隙水作用下的二级边坡挡土墙被动土压力上限研究

借助极限分析方法上限定理,计算考虑孔隙水压力和通过拟静力法简化的水平和竖直向地震力作用下的二级边坡的挡土墙被动土压力的上限解。根据获得的被动土压力上限解,利用MATLAB软件对上限解进行优化计算,并选取适当的参数,分析不同的边坡土体参数及地震土压力系数对挡土墙被动土压力上限解的影响,研究结果表明:二级边坡的被动土压力系数随着横向地震力荷载系数Kh,ρ角和孔隙水压力系数的增加而增加,随着内摩擦角φ和黏聚力c的增大而减小。     

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。     

非线性破坏准则下浅埋隧道支护参数上限解

鉴于土体材料破坏准则的非线性以及参数离散的自然属性,针对浅埋隧道的稳定性问题,提出基于极限分析非线性理论的可靠度计算方法。研究结果表明:将非线性破坏准则退化成线性破坏准则后,本文计算结果与已有研究成果基本一致,验证了文中方法的正确性。在上限解分析中,土体的非线性系数对围岩压力以及破坏范围有很大影响,建议进行支护设计时必须考虑土体破坏准则的非线性,防止因支护力过小或安全系数不足而引发坍塌事故。在可靠度计算中,非线性系数是影响隧道结构可靠度的主要因素,针对非线性系数给出了浅埋隧道满足3种安全等级所需要的安全系数与支护力,为隧道设计规范进行了补充,也为今后浅埋隧道的支护设计提供了参考价值。     

Analysis of Passive Limited Supporting Force of Curved Shield Tunnel Excavation FaceEI北大核心

Research purposes: In the construction process of curved shield tunnels, the force of excavation face is extremely complex and the stability is difficult to control, so it is very likely that the thrust of the jack will cause uplift of the soil in front because of passive failure. Taking the sand strata as an example, this paper established a combination model of "inverted ladder-wedge prism" to reveal that the soil in front of the excavation face of curved shield tunnels uplifts up because of passive failure based on the silo theory and limit equilibrium method, and deduced the calculation method of passive limited supporting force for curved tunnels. Then, we confirmed the accuracy and reliability of this model and calculation method through programing and simulating. Research conclusions:(1) The passive limited supporting force increases with the increase of buried depth and internal friction angle, and the growth rate gradually increases. (2) When the radius of the line is less than 200 m and the internal friction angle is more than 25 degrees, the passive limited supporting force is very sensitive to the curvature radius, and when the radius is more than 800 m, the passive limited supporting force is almost no difference with straight tunnels. (3) The numerical results indicate that the numerical solution is consistent with the theoretical solution and the difference is quite small. (4) The research results can provide theoretical basis for determining the passive limited supporting force in the constructions of similar curved shield tunnels especially small turn radius shield tunnels. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析

论文依托南京地铁区间盾构隧道工程,建立了模拟盾构机(包括刚度、自重、推力)前行掘进隧道的三维有限元力学模型,在此基础上,研究了随盾构顶进引起的地表沉隆变形以及隧道围岩、管片变形,研究结果为南京地铁区间盾构隧道工程的施工及监控量测提供了参考。     

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。     

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。     

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。     

浅埋暗挖矩形隧道施工方案比选研究

针对某新建地铁浅埋暗挖矩形隧道的工程特点,采用FLAC3D软件对各导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟。通过对比分析地表沉降、隧道拱顶沉降、底板隆起位移、初期支护内力等指标,寻求区间隧道周边地层变形及结构受力的特点和规律,从而选出最优的施工方案。研究表明:矩形隧道断面6导洞(先中间后两边)非对称开挖顺序可有效控制地层变形和结构受力;地铁区间隧道地表沉降曲线呈现"凹槽"形状,在隧道横断面方向影响范围约为4倍开挖跨度,掌子面开挖过后监测断面处地表沉降量所占比例约为60%;隧道拱顶沉降和底板隆起位移大部分发生在掌子面位于监测点前后10 m范围内,各导洞开挖顺序对支护结构内力影响较小;工程应用实践表明采用推荐的6导洞施工方案是安全可行的。     

富水地层盾构掘进下近接桩-土力学响应分析

基于富水地层透水性强、土层强度低等特性,运用盾构技术进行隧道施工造成的土层变形、临近桩体扰动等负面现象尤为突显。为探明渗流影响下由盾构掘进引起的孔压变化、桩-土响应规律,以某盾构隧道工程为依托,采用有限元数值分析方法,阐明盾构隧道在流-固耦合作用下的孔压分布、桩-土内力及位移发展形式。研究结果表明:(1)与未考虑地下水作用相比,渗流场影响下的桩体与地表土层沉降明显加剧,其沉降最大增幅分别达32.18%、31.95%;(2)盾构隧道下穿建筑桩基施工,对桩体内力值影响较大,桩体下部轴力沿埋深增长并产生负摩阻力,较大程度地抑制桩体性能发挥;(3)隧道防水失效下,周边围岩内部孔隙水压力于1倍隧道直径范围内呈现剧烈衰减,并沿水平向出现明显孔压降压带。     

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。     

基于有限元盾构开仓开挖面稳定性及施工技术研究

以广州地铁4号线塘—大区间盾构隧道为依托,针对盾构开仓开挖面稳定及施工技术展开研究。采用有限元分析方法,对盾构开仓开挖面破坏形式、开挖面变形和开挖面前方地表沉降三方面进行稳定性分析,得到相应规律;从盾构开仓刀盘后止水措施、开挖面泥膜质量控制和盾构开仓期间监测措施三方面对盾构开仓开挖面稳定施工技术进行研究,并提出主要相关参数。盾构开仓期间,利用盾构外壳预留孔采用高压注浆方式向盾构周边注入1.10~1.15 g/cm;的高粘度浆液,以免浆液流失;工程遵循"高稠度、高密闭、低比重、易成膜"措施,调整泥浆参数,同时对所选泥浆材料进行优化;采取加密监测频率方式,周边地表监测频率为8次/d。最后给出开挖面异常工况处理措施,并将该方案应用于实际,取得良好效果,为大湾区盾构开仓开挖面稳定提供工程参考。     

泥炭质软土地区盾构隧道抗震性能研究

文章采用ANSYS有限元分析软件,对土体与衬砌管片组成的耦合系统进行盾构隧道抗震三维有限元分析,其中考虑了土层的内摩擦角、内粘聚力。对不利于抗震的泥炭质土层采用多线性随动强化处理,使计算结果更加真实可靠。管片采用实体梁单元模拟,地震波选取汶川地震的地震动曲线。计算结果包括隧道周围土体的时程位移曲线、管片的轴力、剪力、弯矩等。最后从地震对盾构隧道的影响,对隧道抗震性能进行了初步评估,其结论可供昆明地区盾构隧道抗震设计参考。