盾构隧道开挖面稳定研究进展

在复杂地质条件下,盾构隧道开挖面失稳可导致地表沉降过大,从而破坏地表建(构)筑物及地下管线.通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究现状进行了详述,并指出了今后应深入研究的几个重点:应考虑水土耦合作用;应考虑开挖面地层的变异性;应考虑掘进参数对开挖面稳定性的影响;应加强研究进出洞的切口压力控制.分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向.     

饱和砂层泥水平衡盾构隧道开挖面稳定研究

饱和砂层盾构隧道掘进过程中,不当的开挖面支护可能导致开挖面坍塌或挤出破坏.为保证开挖面稳定,压力泥浆通常用来平衡开挖面上的土压力和水压力.因为压力仓中的泥浆压力大于地层中的静水压力,泥浆会向开挖面周围地层入渗.在这种情况下,部分有效支护力转化为超孔隙水压力,导致开挖面上的有效支护压力减小,从而降低开挖面的稳定性.因此,设计支护压力时必须考虑泥浆入渗作用和超孔隙水压力的影响.另外,地层成层情况也会影响开挖面稳定性.结合饱和砂层盾构掘进引起的超孔隙水压力计算模型和室内泥浆入渗试验结果,分析泥浆入渗和超孔隙水压力对开挖面稳定的影响,并讨论地层的分层情况和开挖面水力梯度对开挖面微观稳定的影响.研究结果表明:在设计支护压力必须附加额外压力以弥补泥浆入渗过程中有效支护压力的损失;通过对比均质承压水层和半封闭承压含水层中开挖面上的水力梯度发现,相较均质承压含水层而言,盾构隧道在半封闭承压含水层中掘进时开挖面更加稳定;在没有泥浆支护的情况下,开挖面上的水力梯度很难维持开挖面上土颗粒的稳定,因此建议压力泥浆用于饱和砂层盾构隧道开挖面支护.     

基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析

针对矩形基坑开挖对下卧隧道变形影响这类课题,基于Mindlin经典解,考虑了坑底残余应力及围护桩效应的影响,推导了基坑开挖卸荷作用在隧道处附加应力的计算公式.对于埋深超过1.5倍隧道外径的盾构隧道,通过在Pasternak模型上部增加一层弹簧层来考虑上覆土层对隧道的约束作用,建立起地基梁的挠度微分方程.采用有限差分的方法把隧道离散为独立的节点单元,从而求解出隧道纵向的竖向位移和水平位移,最后与有限元数值模拟、工程实测得到的隧道变形数据对比分析.研究表明:在考虑深埋盾构隧道与土体的相互作用时,相对于Pasternak模型方法,笔者方法更能反映两者之间真实的力学行为,得到的解析解更接近于数值解,与实测值吻合度也较高,证明了方法的合理性和优越性;另外,笔者方法省去了大量的建模工作,在设计方案时能够用于初步评估基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形的影响.     

基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

为探究砂卵石地层中盾构开挖工作面失稳现象的机理,采用CDEM （continuum-based discrete element method）可变形块体离散元方法,建立准连续介质模型,对砂卵石土三轴压缩试验开展数值模拟,以分析其细观力学特性;基于“颗粒流动”、“土拱效应”、“超挖出土”等特点,通过平面三角块体离散元建立模拟砂卵石地层盾构开挖面超挖出土的二维动态离散元模型,研究土拱效应、空洞区发展等开挖面失稳的渐进演化机制. 研究结果表明:砂卵石土三轴压缩试验宏观应力应变曲线可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、理想塑性阶段;卵石作为粗粒相颗粒存在骨架增强作用,砂卵石接触界面对宏观强度具有弱化作用;通过以土拱效应为标定准则的Hopper Flow标定试验可有效得到不同尺度平面三角形离散单元摩擦角的转换关系;土拱效应显著存在于开挖面前方并随着开挖面超挖出土渐进发展,达到极限状态后逐渐破坏消散;空洞区始于螺旋输送机底部,随超挖出土逐步向上方和前方扩展,最终在击穿承载土拱后到达地表,形成“水滴状”空洞区;从不同角度提出了三类超挖量的控制标准.      

基坑开挖对盾构隧道影响的三维数值分析

当开挖基坑位于隧道附近,由于基坑开挖导致影响范围内的土体应力释放,打破了土体原有的应力平衡,致使基坑底部隆起,进而使基坑开挖范围内的土体发生位移,从而带动周围隧道产生移动。以武汉地铁7号线北延工程天阳路站至腾龙大道站区间风井基坑为例,采用三维有限元数值模拟的方法,模拟了基坑开挖引起的盾构隧道变形和内力的变化,分析得出了采取分段分区施工方案能够明显改善基坑开挖引起的盾构管片的水平、竖向位移以及内力变化,结合现场实际穿越过程中的监测数据,与数值模拟结果基本一致,说明施工方案合理可行。     

回填土区浅埋盾构隧道开挖地层响应分析

为分析回填土地层中浅埋盾构隧道的土舱压力设置对地层变形的影响问题,根据重庆轨道交通五号线北延伸段工程区间隧道施工过程建立盾构施工数值模型,设置监测断面,对不同开挖阶段和不同土舱压力下的地层变形情况和沉降曲线进行了提取和分析。研究结果表明：在依托工程条件下,盾构隧道掘进施工过程中引起的地表沉降槽幅宽在3倍洞径左右,土舱压力取值为0.125MPa左右时对地层变形的影响最小。     

隧道开挖支护施工技术

随着现代路桥事业的发展,越来越多的隧道工程在施工技术上的要求也在不断的提升。因而作为新时期背景下的隧道施工企业,必须在隧道施工中切实加强现代开挖技术的应用,才能更好地适应时代发展的需要。因而本文正是基于这一背景,首先探讨了隧道开挖中常见的支护工具;其次就隧道开挖支护的施工技术要点进行了探讨;最后对全文进行了简单的总结。旨在与同行进行业务之间的交流,以不断强化隧道开挖支护效果,促进整个隧道工程质量的提升。     

浅析连拱隧道洞身开挖及其支护

根据某具体工程施工案例,对其施工过程中涉及的隧道洞身的开挖以及支护施工工艺进行深入分析和详细的阐述,为连拱隧道洞身开挖和支护施工提供参考。     

超深埋盾构隧道设计中水压力控制探究

以某煤矿斜井隧道为例,介绍超埋深盾构隧道管片结构设计中水压力的控制方法。根据山岭隧道和引水隧道等的设计施工经验,在含水地层采取以堵为主、疏堵结合的方式进行设计,有效控制了管片结构的外水压力。     

东山公路隧道开挖支护过程数值分析研究

应用有限元分析软件MIDAS/GTS,采用地层结构法分析了东山公路隧道开挖支护过程中的稳定性问题。分析结果表明,开挖不同断面过程中,围岩内最大主应力集中在钢架脚部,钢架架设时应及时施工锁脚锚杆,必要时可采用小导管注浆等方法对拱架脚部围岩进行加固;从衬砌变形角度分析,变形量最大处为拱顶下沉及底脚位置,施工中应注意对拱顶沉降的监测,逐步开挖核心土,保证施工及结构安全,同时应及时施作基础工程,以控制洞室变形;围岩最不利位置出现在拱顶及仰拱两侧,应是重点加强部位。     

盾构施工方式及掘进控制管理研究

盾构由钢柱、钢梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六大部分组成,根据不同的地质情况设计盾构长度,确保中心土的天然支护作用是＂桥式盾构法＂的关键。     

上海某越江盾构隧道的地震响应分析

以上海某越江盾构隧道为例,采用二维动力有限元模拟的方法,分析了地震荷载作用下盾构隧道的动力响应,得到了在7度地震作用下,地表土体、隧道周围土体的动剪应力比、动孔压比以及水平方向的加速度.除此之外还得到地震荷载作用下隧道结构、轨道梁的动剪应力,得出了一些具有实际意义的结论,为以后的盾构隧道的设计和施工提供参考.     

核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响

针对黄土地区山岭双线隧道软弱围岩稳定性较差的问题,通过三维有限元方法系统地分析了台阶长度及核心土长度、宽度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区纵向深度和横向大小的影响.得出一些对黄土地区软弱围岩山岭双线隧道具有实际指导意义的结论.     

上方大面积加(卸)载引起盾构隧道的变形分析

盾构隧道上方大面积加载或卸载会引起隧道结构发生纵向变形,过大的沉降或隆起会使隧道结构发生裂缝或是环缝张开,导致渗漏水甚至破坏。把隧道结构等效为处于土层中的弹性地基梁,利用Boussinesq解计算加（卸）载在隧道下卧土层中产生的附加应力,基于Winkler模型计算隧道结构的变形。结合上海某地铁隧道上方大面积卸载后加载的工程实例,计算隧道结构的纵向变形,判断结构的安全性,并用有限元计算验证理论计算公式的正确性。     

盾构隧道下穿火车站站场保护方案的探讨

介绍了苏州轨道交通2#线盾构与站场的交叉施工方案及苏州火车站至第三人民医院站区间盾构隧道下穿铁路站场的保护方案,并对交叉施工方案和保护方案的优缺点进行了分析比较。所采用的方案正在沪宁铁路沿线下穿工程中实施。     

盾构法施工在过江隧道中的风险及应对措施

以南京长江隧道工程为例,系统全面的分析了盾构法施工在过江隧道中的各类风险,探讨了盾构进出工作井施工风险、盾构穿越江中段风险、超大盾构工作面失稳风险、管片密封事故风险、施工中地层移动风险、盾尾冻结法施工风险等发生后将导致的后果以及引发该风险的原因,提出了相应的风险应对措施,为类似的盾构法施工的风险评估和安全管理提供经验和技术上的参考,降低了施工风险。     

土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验设计与应用

为提高对盾构施工相关问题试验研究的针对性,提出了土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验方法,并设计了模型试验相关装置;为避免多个关键影响因素相互影响,将盾构隧道施工过程中开挖掘进、管片拼装、同步注浆等关键操作环节分开依次进行模拟;为降低刀盘开口率试验研究相关成本,研制了几何相似比为1∶10且刀盘开口率可调的模型盾构机;为确保模型盾构隧道的纵、横向刚度相似性,设计了几何相似比为1∶10且纵、横向刚度可分别按需设置的模型盾构隧道,其管片环采用修正匀质圆环模型,管片环之间采用垫有压缩弹簧的螺栓连接;为方便试验并节省成本,模型盾构隧道采用外部拼装后再放入钢套筒内,以避免在狭小空间内进行管片拼装,且不加工管片拼装机;为实现注浆压力与注浆量的精准控制,设计了适用于室内模型试验的恒压同步注浆装置;利用模型盾构机开展了掘进施工过程中渣土输出控制对地表沉降影响的试验研究。分析结果表明：单位掘进距离的渣土输出量直接关系到盾构掘进过程中的超挖控制,从而影响地表沉降,当出土率小于1时,出土率变化对地表沉降影响较小,当出土率大于1时,出土率增大将显著加大地表沉降。为了最大程度地发挥整个模型试验的科研价值,在盾构隧道完成施工后,建议继续开展盾构隧道响应研究的相关模型试验。     

大型水下盾构隧道结构研究现状与展望

随着我国大型水下盾构隧道的日益兴建,一系列结构问题愈发凸显,对结构的安全性提出了挑战,大型水下盾构隧道结构已逐渐成为国内外研究的热点.针对大型水下盾构隧道在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的结构问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:隧道横向结构的力学特征与分析方法,纵向结构变形与稳定性,隧道结构及附属结构物的地震响应及抗震与减震措施.总结了近期的研究成果与新进展,包括:整环管片衬砌结构力学特征与分析方法,接头力学性能,隧道结构纵向稳定性,施工期流固耦合效应及上浮机理,施工荷载的影响,火灾的影响与评估,水环境作用下管片衬砌结构的长期耐久性及结构性能评价等.最后,讨论了尚存的问题以及相关结构问题的研究趋势.     

盾构隧道壁后注浆压力分布模型

为探讨盾构隧道壁后注浆压力在环形盾尾空隙中的传递过程,用旋转粘度计对硬性浆液的流变特性和流变参数进行了测定.试验结果显示,硬性浆液属于宾汉姆流体,其塑性粘度为1~4 Pa.s,动切力介于10~40 Pa之间.用宾汉姆流体描述硬性浆液的流变特性,导出了其注入盾尾空隙过程中注浆压力的传递公式,并用Soph ia隧道的监测结果验证了注浆压力分布模型的合理性.