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。     

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。     

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。     

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。     

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。     

泥水平衡盾构开挖面失稳特征模拟试验研究

为研究泥水平衡盾构施工过程中开挖面的失稳过程与特征,使用泥水盾构模型装置,通过室内试验模拟泥水盾构开挖面的掘进失稳过程,分析地层水土应力变化规律,总结了不同水位下泥水盾构在砂土地层中开挖面主动失稳的破坏形式.研究结果表明:盾构刀盘前方土压力、超孔隙水压随着支护力减小先缓慢下降后加速下降并保持稳定,此时开挖面失稳破坏;在...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

重叠隧道上洞开挖面支护与注浆压力对下洞隧道的影响分析

以昆明地铁首期工程环城南路站—昆明火车站站区间重叠隧道为背景,研究重叠隧道施工时开挖面支护压力及注浆压力对下洞隧道的影响。采用有限元数值模拟方法,分析了土仓压力与注浆压力对地表沉降和下洞管片衬砌结构应力的影响。研究表明,注浆压力的影响更为显著,盾构掘进应保证开挖面支护压力不小于地层原始水平应力,注浆压力应控制在0.8~1.0倍地层原始应力范围内。     

复合地层盾构近距离下穿既有成型隧道风险控制研究

中砂泥岩复合地层中的泥水盾构掘进面临堵仓、堵管的风险,对于控制沉降极为不利,尤其是近距离下穿既有成型隧道。以南宁地铁2号线火车站~明秀路区间(火明区间)泥水盾构下穿既有地铁1号线为背景,首先分析了中砂泥岩复合地层中盾构施工的风险,然后介绍了盾构穿越既有隧道前的加固措施,穿越前盾构机的开仓及检修工作,穿越过程中的掘进参数控制,最后介绍了采用基于自动化监测的沉降反馈控制体系。现场实测数据表明:泥水盾构在含泥岩地层中极易发生堵仓堵管,对于控制开挖面稳定十分不利,有计划的开仓清理对于穿越重大风险源是必要的;对既有成型隧道的加固是必不可少的措施,穿越过程中要以控制开挖面泥水压力为目标,降低推进速度;穿越过程中沉降信息的实时反馈是实现微扰动施工控制的关键,通过上述措施,既有1号线隧道最大沉降控制在-5.7 mm。     

考虑水-土耦合的盾构隧道地表沉降试验研究

考虑水-土耦合情况,进行不同隧道埋深、支护压力和掘进速度条件下盾构隧道施工致地表沉降的大型三维物理模型试验,总结不同条件下的地表沉降规律,分析孔隙水压力和围岩压力的变化特性,归纳不同条件下的地表沉降曲线;探讨隧道埋深、支护压力和掘进速度以及孔隙水压力对地表沉降值的影响,推导地表横断面沉降槽计算的经验公式,并将研究成果应用于北京地铁10号线部分区间的地表沉降预测.结果表明:随着隧道埋深增加,地表沉降值减小,地表横向沉降槽影响范围加宽;沉降值随支护超压比增加而增大;掘进速度变化对地表沉降的影响程度较小;施工扰动围岩及孔隙水压力消敞对地表沉降值有较大影响;基于物理模型试验的经验公式预测值与FLAC~(3D)数值模拟预测值、现场实测值均较为吻合.     

大直径泥水平衡盾构穿越砂性地层沉降控制分析

结合武汉轨道交通8号线越江区间隧道建设,为研究大直径泥水平衡式盾构穿越砂性地层引起的地表沉降问题,开展盾构施工扰动下地表沉降现场监测分析,盾构穿越过程中部分地表产生较大隆起,且变形稳定后隆起值较大,通过分析盾构施工参数与现场监测数据,判断注浆压力过大为导致地表产生较大隆起的主要原因;通过数值计算,分析不同注浆压力下变形稳定后的沉降槽曲线,结果表明:采用实际注浆参数的计算结果与实测数据比较吻合;考虑到施工中一些不确定因素的影响,结合数值计算结果,为了将地表隆陷控制在较小的量值范围之内,大直径泥水平衡盾构穿越相似条件地层时合理的注浆压力为0. 55～0. 60 MPa。     

双线隧道盾构掘进对地表沉降影响的数值分析

研究目的:在双线隧道盾构掘进过程中,先开挖隧道地层变形会对后开挖隧道地层变形产生不可忽视的影响,导致双线隧道盾构掘进完成后地表沉降存在差异性。依托天津地铁某盾构区间隧道掘进工程,基于FLAC3D软件建立隧道掘进过程的有限元模型,从隧道开挖变形、地表沉降的角度分析先挖线路对后挖线路变形特征的影响,验证双线隧道盾构施工导致地表沉降的叠加效应。为保证盾构掘进过程中地表沉降不超标,通过数值模拟分析盾构土仓压力、同步注浆量和出渣量等因素对地表最大沉降量的影响,有效指导盾构隧道施工参数的选择,最后通过现场监测数据验证数值模拟结果的正确性。研究结论:(1)前序次开挖隧道对后序次开挖隧道的隧道拱顶沉降与地表沉降均存在叠加效应影响,后序次开挖隧道的拱顶沉降及地表沉降均略大于前序次隧道的对应沉降值;(2)数值模拟结果与现场实测结果的对比显示,实测地表沉降值相比数值模拟计算值分别高出5. 78 mm、4. 97 mm,隧道的管片沉降实测值与计算值误差均在5%以内,数值模拟计算误差均处于可控范围内,一定程度上验证了数值模拟结果的正确性;(3)本研究结论在城市地铁盾构(TBM)法施工领域,对地表沉降控制方面的机理研究和实践操作有较好的应用效果。     

砂卵石地层盾构微扰动施工及掘进控制研究

研究目的:针对北京地铁8号线天桥～永定门外区间右线隧道试验段1～160环掘进施工,结合地层条件分析掘进参数和地表变形间的关系,并对土压平衡盾构微扰动施工控制进行初步探索,以期为砂卵石地层盾构隧道的设计与施工提供借鉴和参考。研究结论:(1)相对于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层,盾构施工在砂卵石地层引起的沉降更大,对地层的扰动也更大;(2)盾构在砂卵石地层中掘进时,按照太沙基松动土压力理论计算得到的开挖面支护压力更加贴合现场实际情况;(3)千斤顶推进速度与螺旋机转速对于调节开挖面支护压力至关重要;(4)盾构在砂卵石地层中掘进所需的推力和扭矩要高于粉质黏土与砂卵石组成的复合地层中的相应值;(5)由于砂卵石土孔隙率较大,故需要及时调整注浆压力以保证注浆量,从而控制地表沉降;(6)对于砂卵石地层中的盾构施工,通过合理控制盾构掘进参数,可以较好地减小地表沉降和地层损失。     

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.     

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。     

软硬不均地层盾构机开仓换刀状态下开挖面稳定控制技术

在盾构机掘进过程中,如需在自稳性差的地层中开仓换刀,确保开挖面稳定是盾构安全施工的关键技术之一。本文针对软硬不均地层,从防止开挖面涌水、保持开挖面稳定、土仓加压试验等方面,研究确定了开仓换刀时的极限支护压力和气压值的方法,给出了合理的气压值;阐明了分级制作开挖面泥膜、维持开仓检查过程中的气压、管片背后注浆封水、切口环部位注浆封水等稳定开挖面的措施。采用土仓加压与增强开挖面稳定性相结合的技术,确保了盾构开仓换刀状态下开挖面的稳定,带压进仓作业顺利,工程效果好。