水下盾构隧道的合理覆土厚度数值模拟分析

针对水下隧道长期赋存于富水环境中,围岩的力学性质较差,地层的成拱能力降低的特点,研究水下盾构隧道的合理覆土厚度,为设计与施工提供参考。在国内外学者研究成果的基础上,依托具体的工程实例,鉴于实际施工中盾尾管片壁后注浆对盾构隧道的动态上浮作用和对地层沉降的影响,进而确定对盾构隧道最小覆土厚度的影响,同时基于水下隧道突水风险研究,综合考虑水、土、注浆浆液的动态影响,通过对颗粒流数值模拟结果进行分析,给出水下盾构隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度临界值的判定依据和条件,采取必要的信息化施工和响应联动措施,控制水下盾构隧道浅覆土穿越水体地层变位,保证工程和环境的安全。研究结果表明:双洞隧道的地表沉降曲线基本符合Peck沉降槽理论,随着埋深的增加,地表沉降将由2个独立的沉降槽逐渐发展叠加为1个新的沉降槽;对于依托工程而言,隧道覆土厚度的临界值为1.3D;围岩的竖向位移随距隧道中心线距离的增大而减小,当距离增大到0.5D后位移变化不再显著;隧道开挖后,由于隧道顶部土体拱效应的发挥,不同埋深情况下作用在管片上的土压力将明显小于初始土压力,且压力值与埋深成正比。     

富含水复合地层盾构隧道掘进面极限支护力数值分析

当碰到复杂地层中含有丰富地下水时,稍有不慎就会导致掘进面的不稳定,如何设定合理的支持力以确保隧道施工安全平稳成为核心问题。文章利用分析地下水在复合地层中对掘进面极限支护力的影响,结果表明软土层受地下水的影响更加敏感,随着水位的上升,软土层所需的极限支护力要比硬土层大很多,且渗透力逐渐成为构成总支护力的重要部分,当工程施工面失稳时处于软土层的掘进面上部首先发生破坏。综上,当盾构施工穿越具有丰富地下水的复杂地层时,要充分考虑地下水、尤其是隧道断面前方有软粘土地层对施工安全的影响,从而防止事故的发生。     

考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限分析

为有效评估含水地层异形盾构隧道开挖面的稳定性,解决异形盾构隧道开挖面稳定性预测和控制等关键问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了主动破坏模式下含水地层中异形盾构隧道开挖面发生失稳破坏的演化过程以及开挖面极限支护力的确定方法。运用FLAC3D有限差分软件,建立了考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面主动破坏数值模型,通过FISH语言编程提取了异形隧道开挖面附近地层的孔隙水压分布。基于空间离散化技术和极限分析上限定理,采用线性插值方法计算了异形盾构隧道开挖面附近地层渗透力做功率,建立了含水地层考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面稳定性分析模型,揭示了断面形状、地层参数、地下水位等因素对隧道开挖面极限支护力和三维破坏模式的影响规律。研究结果表明：流-固耦合情况下的地层孔隙水压力要明显大于单渗流情况下的孔隙水压力;隧道开挖面附近的孔隙水压力梯度明显大于其他区域;在同等工况下,矩形、五心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较大,椭圆、三心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较小;各断面形状下的隧道开挖面的极限支护力随黏聚力、内摩擦角和地下水位的增大而增大;随耦合时间的增大极限支护力先是不断增...     

武汉长江盾构隧道洞口浅埋段施工地层稳定性数值分析

 武汉长江隧道工程采用直径11.37m泥水盾构施工，盾构始发段地质条件复杂，隧道覆土厚度7m左右，同时受加固区与地面建筑影响，地层应力状态非常复杂，而对开挖泥水压力的设定一般都采用简单土压力理论计算值，但与实际地层压力分布差别较大。现采用数值模拟方法分析始发掘进过程引起的地层位.     

基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

合理确定掌子面支护压力是保证隧道正常施工及周边环境安全的关键。为探究浅埋隧道中不同复合程度下复杂地层支护力上限值变化规律,基于三维有限单元极限分析软件Optum G3,建立一种考虑不同泥岩比例的浅埋隧道掌子面极限支护压力上限解模型,并通过案例对比分析验证模型的有效性。基于此,进一步探讨不同泥岩复合比例下掌子面支护压力上限解及对应失稳模式,并进行参数敏感性分析,拟合得到对应的简化计算公式。结果表明:1)复合地层盾构隧道开挖过程中,泥岩比例低于50%时,掌子面支护力上限值增长平缓,大于该值后支护压力迅速上升; 2)复合地层掌子面破坏模式显著区别于均质土层,泥岩比例小于50%时,易失稳点出现在砂层与泥岩交界处,位置随泥岩比例的增加而上升,大于该值后出现在隧道中心位置并保持恒定; 3)极限支护压力上限解与隧道埋深比C/D、覆土内摩擦角φ及黏聚力c值呈正相关,且埋深比C/D越大,增长的幅度越大,当泥岩比例大于75%后,不同黏聚力下的极限支护力趋于接近。     

曲线盾构隧道施工数值模拟及稳定性分析

因受地质条件和施工条件的限制,超大直径小半径曲线连续盾构隧道在施工过程中带来的剧烈围岩扰动可能致使地面发生较大的隆沉现象。主要原因与隧道开挖面难以保持平衡稳定息息有关,因此,研究隧道开挖面的稳定性对确保超大直径小半径曲线盾构隧道的施工安全十分必要。依托武汉两湖隧道超大直径小半径曲线盾构隧道工程,采用ABAQUS有限元分析软件进行三维数值模拟,分析标准工况下隧道掘进产生的地层变形,总结开挖面支护压力的变化对隧洞周围围岩的影响规律,计算得其最小极限支护压力为47.34 kPa。     

盾构带压进舱开挖面稳定性分析及合理进舱换刀区间判断研究

为探究盾构隧道施工中带压进舱换刀作业的合理区段，分析带压进舱过程中开挖面的失稳规律，依托佛莞城际铁路狮子洋隧道工程，对隧道穿越不同地层进行开挖面稳定性计算分析，得到不同地层环境下的最高带压进舱埋深；提出选取适合盾构带压换刀作业断面的判别方法，并针对依托工程给出合理换刀位置选择的建议。研究得出： 1）针对狮子洋隧道工程圆砾土、强风化泥质砂岩及中风化泥质砂岩3种地层，围岩自身稳定性越强，进舱时所能承受的上覆土越高，开挖面变形越小，越适合进舱作业； 2）对于淤泥地层而言，由于自身流动性较强、稳定性差，不适合带压进舱作业; 3）对比实际施工进舱换刀作业时施加的支护力，楔形滑块模型计算方法所得最小支护压力偏大，数值计算方法所得结果偏小，但更接近实际极限情况; 4）结合现场带压进舱作业验证，本文提出的方法可以较为准确地判断隧道全区段带压进舱的可行性，可初步给出适合带压进舱工作的盾构隧道施工区间，为实际工程选择进舱作业位置给出建议。     

基于变分法原理的浅埋隧道围岩压力上限研究

浅埋段隧道上覆岩土厚度随埋深发生变化,且受地形条件影响,有必要考虑埋深对隧道支护结构设计的影响。为得到变化埋深条件下洞口浅埋段的围岩压力分布和影响长度,基于Hoek-Brown 破坏准则,采用极限分析上限理论,得到浅埋段隧道上方塌落体的构成曲线,并基于变分法原理获得浅埋段隧道极限支护力(反力为围岩压力)沿隧道轴向的变化规律曲线。通过分析,得到以下结论: 1)围岩压力随上覆土厚度增加而呈曲线增加; 2)依据围岩压力随距离(埋深)的变化关系可以得到浅埋段的有效影响范围,超过影响范围的围岩压力几乎不随埋深变化,可以视为深埋段; 3)围岩压力和浅埋段临界范围不仅与岩土材料参数有关,也受到隧道断面宽度和地表坡度的影响。     

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。     

浅覆土条件下盾构隧道同步注浆现场试验研究

盾构隧道不同覆土条件会造成隧道受荷体系的大小及分布形式发生改变,对软土地层超浅覆土下盾构隧道同步注浆作用机理的研究具有重要意义。结合沿海地区某盾构隧道工程实例,针对盾构法隧道超浅覆土同步注浆施工中面临的土层管片受力不均衡、受施工影响敏感性较强等问题,研制出一种新型同步注浆浆液。通过现场监测和理论分析等方法,研究了土压力及孔隙水压力与埋深及盾构开挖位置的关系,重点分析了超浅埋盾构隧道同步注浆施工过程中隧道周围地层土压力的分布模式及孔隙水压力的变化规律,并给出了超浅覆土段盾构同步注浆施工的合理注浆参数。研究成果可以为类似工程的设计与施工提供理论指导。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

盾构隧道穿越软硬不均地层时掌子面稳定性分析

在盾构隧道施工中，由于地层条件以及盾构掘进参数设置的多变性，使盾构给予开挖面的支护压力有较大的波动。针对广东肇庆市盾构隧道穿越软硬不均地层的施工，运用数值模拟研究由于开挖面支护压力变化而引起的地层变形规律、开挖面失稳后的破坏状态，并最终确定使开挖面保持稳定的极限支护压力。     

春风隧道超大直径盾构浅覆土始发技术

为解决超大直径盾构隧道超浅覆土始发,洞门密封容易水土流失、掘进姿态和管片姿态难以控制的问题,结合春风隧道工程始发端地质情况和工程的实施条件,采取端头加固U型素地下连续墙包裹+三重管旋喷加固的方式加强止水效果,洞门分层分块破除降低施工风险;采取调整掘进坡度、固定负环管片保证其成型效果。同时,针对盾构在软土地层中超浅埋始发,易出现隆起冒浆等问题,采取反压盖板的方式,增大上部覆土压重,同时合理降低泥水舱压力,降低地表隆起的可能性,从而保证盾构始发的泥水正常循环,最终形成了一套超大直径盾构在超浅覆土始发施工技术方法。     

考虑管片环间接头效应的盾构隧道抗浮计算与控制分析

为分析盾构隧道施工过程中的上浮问题,分别定义管片环间接头及上覆土产生抗浮作用为接头抗浮效应和上覆土抗浮效应.在考虑纵向螺栓预紧力和顶进千斤顶残余力产生的端面摩擦力,以及上覆土重力的前提下,分析了盾构隧道的抗浮计算式,并通过一具体实例对盾构隧道抗浮进行了计算.分析结果表明:该计算式将注浆压力、纵向螺栓的许用剪应力,以及上覆土的厚度联系起来,在上覆土厚度一定的条件下,能够计算出防止连接螺栓剪切破坏的最大注浆压力,在注浆压力一定的条件下,能够求出满足抗浮要求的最小上覆土厚度.     

密砂地层盾构隧道纵坡开挖面稳定性理论分析

盾构开挖面支护压力计算属于隧道工程稳定性分析的核心内容之一。现阶段理论研究主要集中于水平隧道开挖面的失稳机理，未能充分考虑盾构机纵向倾角的影响。选取仰坡、水平和俯坡3种掘进工况，基于前期模型试验结果与极限平衡理论，构建了密砂地层盾构隧道纵坡开挖面三维理论模型，结合Terzaghi松动土压力理论推导出开挖面主动极限支护压力计算公式。采用有限差分软件Flac3D^5.0构建三维数值模型，分析了密砂地层不同纵坡条件下的开挖面失稳模式及支护压力的变化特点，结合模型试验结果，综合确定理论模型核心参数(对数螺旋线高度系数和滑裂面倾角)的选取方法。通过开展与其他理论方法的对比分析，验证了该理论模型的可行性。研究结果表明：隧道由俯角倾斜渐变至仰角倾斜的过程中，开挖面失稳区域逐渐扩大，且相应极限支护压力呈近似两阶段线性增加，支护压力的增加幅度在隧道由水平渐变至仰角倾斜期间显著提升；开挖面支护压力随隧道直径的增加同步增大，且在仰坡条件下，隧道直径对支护压力的影响更为显著。该研究成果对于盾构纵坡掘进施工具有一定的指导意义。     

基于纵向沉降曲线的黄土地层盾构土舱压力分析

为分析黄土地层盾构土舱压力设置问题,根据西安地铁4 号线区间盾构隧道施工过程建立盾构施工数值模型,基于对模型不同位置处地表沉降量的监测,通过将不同监测点的地表沉降曲线转换到同一坐标下进行对比,分析土舱压力对掌子面前方未开挖地层的影响,进而提出盾构土舱压力合理取值方法。研究结果表明: 1)盾构掘进对掌子面前方地层的扰动具有累积性,地层的变形具有滞后性,即盾构对掌子面前方地层挤压或支护不足时对掌子面前方地层的扰动会不断累积,表现为各监测断面的沉降曲线量值和分布规律不一致; 2)当土舱压力与地层土压力相平衡时,各监测断面的监测曲线基本相似,针对设置工况,土舱压力为0. 1 MPa 时,地表沉降曲线落在同一狭长区域内,即表明该值为与该地层相匹配的土舱压力值。     

深厚软土地层盾构隧道地面加固设计研究

以佛山地铁2号线为实例，基于地层-结构模型的基本原理，简化建立地层-加固体-盾构隧道空间计算模型，结合现场监测数据计算分析不同加固形式及参数对盾构掘进时地面沉降的影响规律。结果表明:采用上部格栅+下部点阵的三轴搅拌桩加固措施，能有效控制地面横向沉降槽沉降宽度≤12 m，最大沉降值≤7 mm；深厚软土地层中先行对后行隧道的影响大于后行对先行隧道，地面加固后隧道开挖对近接建（构）筑物影响较小。     

复杂地层妈湾海底大直径泥水盾构隧道掌子面稳定性数值分析研究

为研究复杂地层条件下泥水压力对掌子面稳定性的影响,依托连续穿越全断面软弱地层、上软下硬地层以及全断面微风化岩层的妈湾海底大直径泥水盾构隧道,分别建立不同地层条件下掌子面稳定性分析三维数值模型,得到掌子面位移分布规律及极限支护应力比。此外,由于既有研究常采用矩形荷载模式对泥水压力进行简化,对比分析实际梯形荷载模式及简化矩形荷载模式对掌子面稳定性分析的差异。结果表明:1)全断面软弱地层中掌子面位移分布呈现"中间均匀,两端分化"形态,上软下硬地层中自拱顶向拱底大致线性减小;2)采用切线交汇法获得掌子面的极限支护应力比全断面软弱地层最大,上软下硬地层次之,全断面微风化岩层中最小;3)掌子面在梯形荷载分布情况下上部土体位移远大于矩形荷载分布情况,且得到的极限支护应力比大于矩形荷载分布,计算中忽略泥水容重影响是不合理的。     

浅覆土条件及软硬不均地层盾构掘进技术研究

论文以南京纬三路过江通道工程为依托,研究浅覆土、软硬不均地层等复杂地质条件下的盾构施工技术,在软硬不均地层盾构掘进模拟的基础上对过江通道的地表沉降、衬砌管片变形与支护结构受力等进行综合分析:(1)在最大水压0. 74MPa的情况下,衬砌管片顶、底部所受岩土体压力约为700至800kPa,侧向压力约为300kPa;(2)隧道施工后引起的最大沉降值为41. 8mm。隧道管片在受到垂向的挤压后,其侧向最大外延变形并非发生在管片水平两侧,而是发生在管环上部偏两侧的位置;(3)当覆土厚度为20. 5m时,衬砌管片顶部发生位移值最大,为6. 33mm,随着覆土厚度的不断增大,衬砌管片顶部的位移值不断减小。这些研究结论可为今后类似条件的过江越海隧道工程提供借鉴,有力提升我国跨江越海隧道工程的建设水平。     

盾构开挖面楔形体支护压力模型分析及改进

为了维持砂土地层盾构隧道开挖面的稳定性,以楔形体模型2种常用的面积等效方法为出发点,对开挖面支护压力计算公式进行推导,同时结合现有楔形体模型与Takano 1g模型试验结果从砂土盾构开挖面破坏区外形的角度改进楔形体计算模型,在考虑松动土压力的情况下提出盾构开挖面主动极限支护压力的计算公式并简化。将Chambon离心模型试验结果与楔形体支护压力计算结果进行对比,并依托西安盾构隧道工程土舱压力监测数据对新公式进行工程应用分析。研究结果表明:采用第1种面积等效方法时的楔形体模型计算结果更为精确,不同模型计算结果出现差异的主要原因来自于楔形体竖直侧面摩擦力的影响,同时提出1.5倍所提简化公式的计算值作为上部土舱压力设定的建议值。