盾构隧道开挖面被动极限支护压力的三维解析解

文章基于莫尔-库仑屈服准则,通过优化楔形块体的倾角并考虑土体粘聚力的影响,对现有的楔形块+倒棱台的土体破坏模型进行改进,建立了能够得到盾构隧道开挖面处于被动极限平衡状态下支护压力的三维计算模型;同时推导得出了相应的计算公式,并通过优化计算得到了开挖面处被动支护压力最小时楔形块体的倾角及极限支护压力;结合一算例,将所建模型的预测结果与经典的上限解进行了分析对比,验证了其合理性;最后探讨了土体内摩擦角、土体粘聚力、隧道上覆土厚度与隧道开挖面处被动极限压应力间的相互关系。研究结果表明:土体的粘聚力越大,开挖面处被动极限支护压应力越大,两者呈线性关系;土体的内摩擦角越大,被动极限支护压应力越大,且其变化速率也越快;随着隧道上覆土厚度的增加,被动极限支护压应力逐渐增加,且变化速率越来越快,两者之间近似呈指数函数关系。     

大断面矩形顶管隧道开挖面土体稳定性研究

文章以采用土压平衡矩形顶管法施工的内蒙古科技大学地下通道为背景,采用理论分析、数值模拟、现场监控量测等手段,对砂砾石地层条件下矩形顶管开挖面的主动和被动破坏规律进行了研究,主要得到了以下结论:(1)考虑顶管隧道开挖面为矩形断面的特点,建立梯形楔体计算模型,推导出开挖面主动破坏时的极限支护应力计算公式并应用于实际工程,采用该公式计算得到的极限支护压力与数值模拟计算结果相差较小,两种研究方法得到了相互验证;(2)采用FLAC3D数值模拟得到的地表沉降槽与实测地表沉降槽形态基本相似,近似服从正态分布,且地表沉降值基本接近;(3)随着支护应力比的减小,开挖面塑性区逐渐由开挖面前方向斜上方发展,当支护应力比为0.165时,开挖面前方土体水平位移骤然增加,开挖面塑性区延伸至地表,土体丧失整体稳定性,发生主动破坏,且从开挖面失稳后地表塑性区扩展形态来看,基本接近梯形楔形体形状,从而验证了解析公式计算模型的合理性;(4)随着支护应力比的增大,开挖面前方土体塑性区自开挖面顶部向地表斜上方延伸,当支护应力比为3.0时,塑性区发展至地面,此时土体失稳,发生被动破坏,其塑性区范围远小于主动破坏时的塑性区。     

盾构隧道开挖面失稳破坏影响因素数值分析

采用数值模拟的方法探析了隧道开挖面水平位移随支护应力比的变化规律,并以隧道开挖面主动失稳破坏为分析对象,重点分析了隧道埋深、土体粘聚力及内摩擦角对开挖面位移及极限支护应力影响,结果表明：随着支护应力减小,隧道开挖面位移迅速增大,由“半圆形”大应变区发展为“烟囱形”破坏区;随着支护应力比的减小,隧道开挖面土体由弹性变形过渡到塑性变形,直至发生主动失稳破坏。当隧道埋深在2D内时,随着隧道埋深增大,隧道开挖面主动极限支护力基本不再增大且有趋于定值的趋势,这与“土拱”效应有关。隧道开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角和粘聚力的增大而减小,土体的内摩擦角比土体的粘聚力对隧道开挖面主动极限支护应力影响更大。     

超大直径土压平衡盾构在中心城区公路隧道中的应用技术探讨

在上海外滩公路隧道施工中,首次采用了直径为14.27 m的超大直径土压平衡盾构.文章以此为工程背景,围绕超大断面的开挖面稳定、浅覆土施工、近距离穿越运营中地铁和历史保护建筑群等诸多难题,从盾构的针对性设计、关键施工技术、构筑物保护措施等方面对超大直径土压平衡盾构的施工技术进行了详细的论述;分析了超大直径土压平衡盾构推进对周边环境的影响规律,并与常规的地铁盾构、同级别的超大直径泥水平衡盾构进行了比较,指出了超大直径土压平衡盾构的优劣;结合中国城市交通建设的发展趋势,对超大直径土压平衡盾构在城市中心区域的应用前景和进一步的研究方向进行了展望.     

扩底抗拔桩极限承载力半经验半理论计算方法与试验验证

文章考虑了土体力学特性,以及桩身材料性质、桩长与桩径(含扩底直径)、桩顶埋深、桩顶卸载与加载、群桩效应等诸多因素的影响,结合工程经验给出了计算扩底抗拔桩极限承载力的半经验半理论方法;根据扩底抗拔桩破坏面位置不同,将扩底抗拔桩破坏模式分为三类(即破坏面延伸至地表的整体剪切破坏、破坏面介于地表与扩孔段之间的局部剪切破坏与破坏面位于扩孔段附近的冲剪破坏),推导出了整体剪切破坏模式的极限平衡状态方程;并依据扩底抗拔桩轴对称条件与土体抗拉强度小的力学特征,给出了求解整体破坏面的微分筒数值解法;利用经验法估算了局部剪切破坏、冲剪破坏模式下的端阻力,进而给出了任意土层中扩底抗拔桩承载力计算步骤与方法;最后,结合一足尺试验的计算分析与承载力测试比较,验证了计算方法的可靠性与精确度。     

楔形体模型的简化计算方法

目前用于求解盾构开挖面极限支护力的理论计算公式参数都较多且计算较为繁琐。文章基于目前使用较为普遍的楔形体理论计算模型对极限支护力的简化计算方法进行了研究。研究发现:当砂土的内摩擦角在20°~70°范围内时,其计算值的对数Inσ_T与砂土的内摩擦角ψ近似呈线性关系;而且在不考虑地面附加应力的影响下,当砂土的重度、盾构开挖面直径和盾构埋深不同时,lnσ_T与ψ的关系曲线近似平行。文章通过线性拟合的方法,在一定范围内通过引入砂土重度影响系数a、盾构开挖面直径影响系数6和埋深影响系数c得到了考虑砂土重度、盾构开挖面直径和埋深等因素影响的盾构开挖面极限支护力的简化计算公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。     

砂土地层盾构隧道开挖面支护压力与地表变形关系模型试验研究

为研究砂土地层盾构隧道开挖面支护压力和地表变形的关系,文章通过自制模型试验系统,测量了砂土土样地表变形和开挖面支护压力,分析研究了地表沉降、隆起与开挖面支护压力之间的关系。通过测量不同覆土厚度情况下的扰动区域范围,建立了开挖面前方土体沉降和隆起破坏模型;试验得到了开挖面支护压力和地表变形相关关系曲线,在此基础上,提出了以0.2%开挖洞径变形量作为实际支护压力设定的参考点,并结合朗肯土压力公式给出了维持开挖面稳定的极限支护压力上下限值。为便于应用,建议了维持地表特定变形量下的支护压力值。     

考虑流固耦合效应的盾构隧道开挖面稳定性研究

文章采用PLAXIS有限元软件,建立流固耦合条件下盾构隧道开挖面数值计算模型,研究隧道管片安装时间内,流固耦合效应对隧道开挖面稳定性的影响。通过控制变量法,分析流固耦合条件下开挖面不同支护压力比(开挖面支护压力与前方水土压力之比)和不同隧道覆径比(隧道埋深与直径的比值)对隧道开挖面变形及地表沉降的影响规律,并探讨了流固耦合效应下开挖面失稳破坏模式。研究结果表明:(1)在隧道管片安装时间内,开挖面前方土体将在渗流作用下形成土拱效应,从而使开挖面支护压力比小于1。而未考虑流固耦合效应时,需要较大极限支护压力值才能保持隧道开挖面前方土体的稳定;(2)当考虑流固耦合效应时,隧道覆径比对开挖面稳定性影响有限,但对地表沉降有较大影响,且覆径比越大,地表沉降变大且影响范围较广;(3)在隧道管片安装时间内,开挖面前方虽在渗流影响下具有土拱效应,但随着支护压力减少及开挖面上部渗流场的共同作用,使得开挖面前方土拱效应减弱,继而使隧道开挖面上方与前方土体连通形成楔形土体滑动区。相比未考虑流固耦合的情况,其楔形体趋向于开口较大的漏斗状破坏形式。故在隧道施工过程中,应考虑流固耦合效应对开挖面变形及地表沉降的影响。     

新加坡地铁C855标盾构隧道开挖面稳定性分析及泥水压力设定

复合地层中盾构隧道开挖面稳定性一直是盾构隧道工程技术难点之一。新加坡地铁环线属于典型的复合地层,并首次大规模采用泥水平衡盾构施工。文章结合地铁环线C855标段,对复合地层泥水平衡盾构施工中开挖面的稳定性分析与泥水压力设定等问题进行了探讨,基于Anagnostou和Kovari提出的楔形体模型,引进稳定数Ns概念,对沿线开挖面的泥水压力进行了分析计算,综合考虑设备性能、周边环境条件、现场组织与实施等因素给出了泥水压力设定表;并针对工程实施过程中遇到的问题,如开挖面坍塌、泥水逃逸以及降水等情况进行了分析,成果可为其它类似工程提供借鉴与参考。     

沈阳城区地层顶管顶力监测分析研究

顶力是顶管工程施工的重要参数,顶力的合理控制不仅能充分保障开挖面稳定,而且还能够合理优化工作井和中继间布置等。文章通过对沈阳城区含翼缘钢顶管和钢筋混凝土顶管的顶力监测数据进行分析,得到了不同顶管结构形式、不同管材、不同管径和不同顶管开挖方法的顶力变化规律。结果表明,钢顶管、手凿式混凝土顶管、土压平衡混凝土顶管、泥水平衡混凝土顶管在顶进过程中的顶力变化各异,单位面积摩阻力-顶距曲线震荡不同。     

吉隆坡地铁A标段盾构土舱压力的计算与分析

文章以吉隆坡新捷运工程地下北段A标工程为例,基于Horn的三维楔形体破坏理论,采用极限平衡分析法,推导出了在土压及全水头压力作用下满舱土、半舱土、无土三种状态下土舱压力的计算方法,并采用整体分析与局部分析相结合的方法进行了验证。从计算结果可以看出,影响土舱压力的因素主要有水位高度、覆土厚度、粘聚力、覆土及掌子面处的内摩擦角,并对这五个因素进行了敏感性分析。通过运用该方法计算的土舱压力进行掘进并对现场监控量测数据进行分析,地表沉降均满足相关设计要求。     

考虑围岩软化与膨胀对松动围岩压力的影响研究

传统围岩松动压力计算理论不能考虑膨胀土隧道增湿软化和膨胀效应引起的应力增量。文章以南京平山软弱膨胀土隧道为工程背景,对松动围岩压力的计算方法进行改进,基于太沙基理论将围岩强度软化、增湿膨胀的影响加以考虑,进而提出一种新的围岩压力数值计算方法——"极限平衡数值法"。文章运用有限差分软件FLAC3D分析了围岩在增湿软化、膨胀前后应力变化情况,并分析了隧道埋深、降雨影响深度和围岩膨胀率的影响效果。结果表明:围岩松动压力可以通过"极限平衡数值法"得到,且其大小受围岩软化、膨胀特性影响显著;随着降雨影响深度以及围岩膨胀率的增大,松动围岩压力逐渐增大;适用于膨胀土隧道松动压力计算公式中的修正系数的大小与降雨影响深度以及围岩膨胀率成正比,与隧道埋深成反比。     

泥水盾构的掘进模式及操作

文章首先介绍了泥水盾构有两种掘进模式:泥水平衡式和D模式;对比了两种掘进模式的特点和适应范围;重点介绍了盾构操作的前提、准备工作和掘进中需要控制的主要项目:排浆泵流量和开挖面泥水压力的协调控制,盾构推力、刀盘压力、刀盘转速和掘进速度的协调控制,盾构掘进方向的控制,同步注浆的控制。     

局部冻结法加固土体在大直径盾构出洞中应用

为解决大型泥水平衡盾构出洞的技术难题,采用在洞口进行局部垂直冻结法加固土体,同时采用板块加拱棚冻结技术,使开挖面泥水保持压力平衡,并严格控制冻结过程中各种技术参数,有效控制冻胀和融沉,确保盾构安全出洞。     

超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究

盾构推进时开挖面的稳定对控制沉降起着决定性作用,因此要求作为开挖面支撑介质的土砂具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等特点,但是一般土壤不能完全满足这些特性,为此需要对开挖面土体进行改良。目前土体改良技术主要是在土体内加入膨润土、泡沫等添加剂来改善土体的性能,但是该技术对于超大直径、工程环境敏感的上海外滩通道工程是否适应值得探讨。为此,以上海外滩通道工程为背景,通过室内试验、模拟试验和现场试验研究了土体改良技术对超大直径土压平衡盾构隧道的适应性问题;通过室内试验验证了泡沫和膨润土对上海典型土体的改良效果;根据模拟推进试验结果确定了添加剂加量、发泡率等参数;最后通过现场试验探讨了改良效果。通过在超大直径土压平衡盾构施工中对土体进行改良,有效地保持了开挖面的稳定,减少了盾构推力与扭矩,刀盘磨损和机械负荷也都得到了很好的改善,盾构在土体改良后出土流畅、推进匀速,从而验证了土体改良技术对超大直径盾构隧道的适用性。     

超大直径海底隧道盾构选型研究

根据复杂地质条件下超大直径海底隧道盾构选型的特点,并结合某海底隧道的工程特点及地质条件,对影响盾构选型的各种主要因素进行了分析,对泥水平衡盾构和土压平衡盾构从各个方面进行了综合比选,最终选择了适合本工程的大直径复合泥水盾构.由于目前国内外大直径复合泥水盾构在复杂地质条件下的工程应用很少,文章回顾了国内外复合泥水盾构类似工程应用情况.通过调查研究表明,大直径泥水盾构的制造及在该海底隧道中的应用是可行的.     

浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究

膨胀土吸水后产生的膨胀问题,导致隧道支护结构承受复杂的膨压应力。为研究浅埋膨胀土强度衰减和膨胀效应对隧道支护结构的影响,文章以呈贡隧道工程为背景,首先利用室内直剪试验方法,探明膨胀土的抗剪强度与初始含水量的变化关系;然后基于室内试验结果,采用ABAQUS三维有限元分析模拟软件,研究膨胀土吸水膨胀对隧道支护结构的影响,揭示不同埋深下膨胀土膨胀效应对围岩变形和支护结构内力影响规律。研究结果表明:(1)摩擦角和粘聚力均随含水量的增大而下降,粘聚力受到的影响较大,膨胀土抗剪强度与含水量的关系可采用二次抛物线表征;(2)膨胀土围岩吸水后受到支护结构约束,产生较大的膨胀压力,导致围岩出现破坏,造成隧道仰拱隆起量和边墙水平收敛增大;(3)围岩膨胀后,初期支护结构轴力均匀增加,拱腰处弯矩增加较小,墙脚处弯矩增加较大,使支护结构处于不安全状态;(4)埋深对膨胀变形产生很大的影响,但达到某一极限埋深后将不发生膨胀变形。     

边坡稳定分析的极限平衡有限元法

极限平衡软件SLOPE/W和有限元程序PLAXIS是目前岩土工程中常用的两种软件程序.采用极限平衡法进行边坡分析时,需要将地面划分为若干垂直层面,并使用静态平衡方程计算各层面的安全系数(FOS)和应力,而有限元法则需要输入土的性质和单元的弹塑性参数.文章比较了有限元法和极限平衡法在边坡稳定性分析中的应用,讨论了各种方法...     

含水率和饱和度对基坑开挖的影响

基于极限分析定理,以初期无支护基坑的竖直坑壁为研究对象,通过运用数学方法分析其特定滑动面—螺旋对数滑动面,得出了无支护基坑竖直开挖的临界深度和潜在破裂面的大小与形状,着重分析了含水率以及饱和度对无支护基坑开挖的影响。     

超大直径泥水平衡盾构断层破碎带掘进关键技术研究

为研究超大直径泥水平衡盾构穿越断层破碎带施工技术，以深圳某隧道工程为依托，对超大直径泥水平衡盾构穿越断层破碎带工程特点及难点进行分析，重点分析了泥水平衡盾构掘进过程中滞排、结泥饼、刀具磨损严重等问题产生的原因，并研究了泥水平衡盾构穿越断层破碎带的关键技术。针对滞排、结泥饼问题，在盾构机选型阶段优化刀盘结构设计，并采用大格栅+双破碎机排渣破碎系统、气垫直排式及主机段小循环模式等针对性措施，提高泥浆携渣能力、输送能力，降低渣土滞排和结泥饼的风险；针对刀具磨损严重问题，提出强化刀具状态监测及“逢红必检、有损必换”、杜绝刀具“带病作业”的刀具管理方针，确保刀具状态监测的可靠性和准确性，提高刀具使用寿命；最后，结合现场实践总结出“预防为主、防治结合、综合治理”的施工原则，采取辅助气压掘进模式穿越断层破碎带；通过对施工过程的研究分析，得到盾构掘进参数、泥水参数建议值以及各项针对性解决措施。