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。     

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.      

浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

基于半承压水模型综合考虑土压盾构穿越渗透性地层时覆土层及下卧层的渗透性,推导了盾构穿越层中沿掘进方向的水头分布的解析解,将其与现有的二维渗流场的解析解结合扩展为相应的三维近似解. 同时采用数值仿真得到稳态渗流条件下浅埋渗透性地层的主、被动破坏模式,建立了相应的柱体+弧形转角体模型,将前述三维渗流场引入该模型,通过力矩平衡法得到了相应两种极限状态下开挖面支护压力的计算公式,与既有结果进行对比,此计算方法更接近数值解. 研究发现:施工对开挖面前方渗流场的扰动基本局限在3倍洞径以内,主、被动极限支护压力的值随水头差的增大均线性增加,盾构直径和水头差是影响主动极限支护压力的主要因素,拱顶埋深与盾构直径是影响被动极限支护压力的主要因素,实际施工过程中,支护压力值应尽可能接近水土分算下的土体原始地层侧压力值,并在其附近（最好在其上方）小幅度波动,波动范围应以变形控制标准为依据.      

含石量与含泥量对压实砾石土力学特性影响的试验

对于夹泥砾石土,在应力、颗粒组成、含水率等因素影响下,其变形特性非常复杂。针对重庆机场道路工程填筑中所用的压实砾石土,通过中型样三轴试验开展了一系列力学特性试验研究,重点分析了含石量与含泥量的变化对于压实砾石土力学性能的影响,及不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、固结排水（CD）3种条件下的抗剪强度与变形特性;同时研究了UU条件下,不同制样含水率对压实砾石土的抗剪强度的影响。试验结果表明：压实砾石土在低围压条件下表现出强烈的剪胀性;UU三轴压缩试验条件下,小含泥量的压实砾石土的强度取决于大粒径颗粒间的咬合力,与含石量成正比;初始拌和含水率对压实砾石土UU强度的影响很大,颗粒粒组中的泥粒在高于最优含水率下易产生滑动,影响其应力-应变性状并导致其抗剪强度大幅降低;饱和固结后,压实砾石土的强度与含石量并没有直接的联系,高含石量并不代表高强度,合理的颗粒级配是决定试样CU,CD强度的重要因素;压实砾石土中含泥量增加会导致其抗剪强度的降低。另外,含石量和含泥量对压实砾石土的临界状态影响不大,同种矿物成分、不同颗粒组成的压密砾石土在CU,CD试验下的临界应力比为1.73。     

软硬不均地层盾构技术的思考

软硬不均地层盾构施工难题一直考验着工程技术人员的智慧,业界为此付出的代价频现报端。文章以发展的眼光,梳理了国内盾构在软硬不均地层施工的曲折历程。从什么是软硬不均地层、软硬不均地层盾构施工所面临的问题、软硬不均地层为什么易发生掌子面坍塌入手,引出了国内软硬不均地层盾构技术发展,详细阐述了深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害,提出了新形势下软硬不均地层盾构技术的思考。主要结论如下： 以盾构装备技术发展实现软硬不均地层顺利掘进,而不再进行预处理,符合科技进步规律与社会发展要求。     

软土地层矩形顶管隧道工后地表沉降计算方法研究

矩形顶管隧道施工会使周围土体产生扰动,进而引起超孔隙水压力,导致施工结束后继续产生固结沉降,对周围环境造成危害。采用Peck公式计算矩形顶管在施工阶段引起的地表沉降量; 运用应力释放理论和应力传递理论,推导出矩形顶管隧道周围土体中任意一点的超孔隙水压力计算公式,采用分层总和法计算土体初始超孔隙水压力消散引起的工后地表固结沉降量;二者叠加得到工后地表总沉降量。提出固结开始t时刻的地表总沉降量计算方法,研究了地表沉降和地表沉降速率随时间的变化规律。算例分析结果表明： 本文方法计算得出的沉降速率在施工结束后3个月内最大,之后迅速减小; 横向地表固结沉降曲线和总的地表沉降曲线均符合正态分布规律。     

泥水盾构穿越浅覆透水层施工关键技术研究

针对我国关于繁华城区大直径泥水盾构施工关键技术研究不足的现状,以杭州环城北路地下通道工程大直径泥水盾构隧道施工为例,结合其工程施工难点,从浅埋地层大直径盾构始发、铁路桥变形预测、泥水分离系统及其适应性改造等方面,对工程中所遇到的难题进行了研究和针对性分析。研究结果表明： 1)端头加固长度以大于盾构主机长度加1环管片的长度为宜; 2)盾构下穿时铁路桥变形实测结果与理论预测结果相吻合,验证了理论预测的重要性; 3)采取增加棒条和改造下层筛板等针对性措施,显著提高了泥水分离效果。     

基于刀盘摩擦扭矩参数的刀具磨损状态识别

盾构在砂卵石地层掘进时,刀具磨损量大一直是困扰施工的难题。从土压平衡盾构的工作原理及砂卵石地层特性2方面分析刀盘扭矩的构成,并通过数学和力学分析建立了摩擦扭矩计算模型。以成都地铁3号线红牌楼南站-红牌楼站区间为研究背景,依托盾构施工安全风险监控系统,对计算模型进行验证;分析刀具磨损时,根据地质条件将摩擦扭矩进行分段计算,同时将摩擦扭矩除以总扭矩得到摩擦比例系数,运用比例系数跟踪判断刀具磨损程度。研究结果表明,砂卵石地层中构成刀盘扭矩的主要组分是刀盘正面、背面和侧面上的摩擦扭矩;摩擦扭矩计算模型符合工程实际;得到的摩擦比例系数与换刀形态具有较好的对应性,可定性判断刀具磨损程度,指导工程实践。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

北京地下热力管线隧道水平旋喷桩预支护技术

主要介绍水平旋喷桩超前支护技术在北京地下热力管线工程中的应用,重点阐述了加固原理、施工方法和技术特点,该项施工技术能为类似工程提供借鉴参考。