透明黏土盾构隧道开挖面失稳扩展过程和失稳特征研究

基于透明黏土盾构隧道开挖面失稳模型试验,探究开挖面失稳扩展过程和失稳特征。在验证透明黏土可用于盾构隧道开挖面失稳破坏试验研究的基础上,从土体运动的角度分析不同埋深比条件下开挖面失稳演化过程,研究失稳分阶段、分区和形态特征以及地表沉降变化规律。基于土体运动的变化,提出盾构开挖面失稳过程实质是开挖面正前方松动土体带动上方土体向隧道内部同步运动,伴随着周围土体受扰动产生运动,并不断扩展变化,最终土体快速滑移发生整体失稳。开挖面失稳呈现明显的分区特征,影响区域包括整体滑移形成的失稳区和产生明显位移形成的扰动区,并提出失稳区的确定标准。开挖面失稳滑移时,纵截面处失稳区土体向隧道内部“流动”,横截面处失稳区呈椭圆状形态。利用对数螺旋线模型和Torus模型对黏土体失稳形态进行描述时,模型底部拟合很好,上部的偏差均较大。开挖面整体失稳前的横截面地表沉降符合高斯沉降曲线,整体失稳后与高斯沉降曲线偏差较大。     

考虑未支护段的矿山法隧道开挖面稳定性研究

工程实践中,采用"先挖后支"模式开挖的矿山法土质隧道,开挖进尺基本依靠经验确定,存在很大安全隐患。在考虑未支护段长度的基础上,采用水平微分单元法分析了开挖面前方土体内的应力分布,得到了计算开挖面稳定性的理论公式。研究表明:与传统的筒仓楔形体模型假设的开挖面前方土体水平应力均匀分布模式不同,土体水平应力呈近似呈抛物线分布;通过与模型试验结果和传统的筒仓楔形体模型方法的对比分析,验证了本文计算方法的合理性;开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面就已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。     

基于盾构隧道开挖面失稳模式的楔形体模型及支护力研究

盾构隧道开挖面支护力的大小是影响开挖面稳定性的重要因素,而盾构隧道开挖面失稳模式则是确定支护力大小的基础。文中从模型实验法和数值模拟方法论述了盾构隧道开挖面的失稳模式及破坏形态,在此基础上总结了隧道开挖面的支护力计算模型及计算方法,经历了三角形楔形体模型、梯形楔形体模型、半圆台+半圆柱楔形体模型和倒棱台楔形体模型的发展阶段,并归纳了支护力修正计算方法,可为盾构隧道开挖面的失稳模式研究及支护力计算提供借鉴和启发作用。     

盾构穿越施工开挖面稳定性分析

采用ABAQUS软件,对新建盾构隧道近距离下穿既有隧道时,由于开挖面支护压力设置过小引起开挖面失稳,导致既有隧道周围土体结构变化,进行了建模分析,揭示了其破坏模式;运用理论解析的方法,将传统的楔形体模型中的棱柱体优化成具有不同张开角度的倒棱台,使其更接近实际情况,并对新建盾构隧道穿越既有隧道时开挖面的临界支护力进行了计算。该研究成果可为新建盾构隧道近距离下穿既有隧道施工中开挖面支护力的有效取值提供参考。     

北京地铁10号线国贸—双井区间土压平衡 盾构施工数值模拟研究

 以北京地铁10号线国贸—双井区间盾构施工为背景,运用FLAC3D软件对盾构过程进行动态模拟,在模拟盾构隧道周围设置应力及位移监测点,计算得出隧道周围土体垂直和水平方向位移及相应的应力变化规律。研究结果表明：盾构推进过程中,盾构开挖面前方土体受到挤压作用,不仅表现在竖向位移,水平位移也有同样现象发生,水平位移绝对值不如竖向位移显著;在盾构开挖面附近边界,土体垂直和水平应力下降明显,释放率在50%左右;盾构推进对周围土体的剧烈扰动主要集中在开挖面处至开挖面后方20 m土体范围内。数值模拟结果跟实测结果吻合较好。     

高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究

开挖面稳定是越江跨海盾构隧道工程安全的关键,尤其是高水压条件下,开挖卸荷导致开挖面稳定控制更加困难。以越江跨海盾构隧道为背景,研制了一套包含材料和设备的高水压泥水支护形式的开挖面稳定模拟试验装置,通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。研究结果表明:①高水压条件下开挖面失稳具有突发性,土体呈现由局部–整体形式急速发展破坏,极小的泥水压力变化幅度即可导致土体迅速发展为整体破坏并传至地表,失稳过程中可观测到滑移倾角减小、破坏范围扩张;②随着泥浆压力的降低,开挖面前方土压力呈现先减小后增大最终趋于稳定值,开挖面失稳可以划分为微观变形、局部破坏、土拱形成、整体失稳四个阶段;③开挖面发生主动破坏时,孔隙水压会发生突然降低现象,这是由于高应力条件下密砂具有剪胀效应,从而引起负孔压导致孔隙水压力急剧下降。这种孔压波动会对开挖面失稳带来不利影响,加速开挖面失稳进程、导致失稳区域的扩大。研究成果对越江海水下隧道工程具有指导意义。     

砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究

盾构法隧道施工过程中,土体密实度对开挖面极限支护力值与稳定性影响是一个非常重要的因素。基于Kirsch室内模型试验,采用颗粒流计算分析了隧道掘进过程中土体密实度对开挖面极限支护力、残余支护力以及开挖面前方土体孔隙比变化的影响,从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理,分析了砂土中盾构隧道掘进时土体破坏形态与分布范围;进而提出了计算开挖面极限支护力的改进楔形体分析模型。研究成果可为盾构隧道施工中分析开挖面的稳定提供参考。     

盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究综述

土压平衡盾构维持开挖面稳定的关键是土舱内的压力和地层水土压力平衡。为获得便于工程应用的计算极限支护力的方法,针对极限支护力的影响因素及确定进行总结。通过总结国内外学者关于开挖面稳定性分析的成果,从本构模型选择、土体失稳模式、渗流作用及极限支护力的确定展开研究。研究得出本构模型对开挖面失稳区域有影响;通过对前人研究的结果分析,证实了数值模拟方法进行隧道开挖面稳定性分析的可行性,目前数值模拟方法多用于定性的评价,需从本构模型、参数选择等维度进一步提高数值模拟结果精度。分析结果为完善开挖面稳性数值模拟提供了有益方向。     

浅覆土超大直径泥水盾构隧道开挖面稳定性研究

为研究盾构隧道采用不同支护介质时开挖面稳定性与支护力的关系,探索开挖面失稳破坏发展规律,采用ANSYS对盾构隧道三维数值模型进行了优化,并用FLAC3D分别对泥浆支护和气体支护两种工况不同支护力下开挖面的稳定性进行了数值模拟,分析了开挖面土体的应力、应变、位移速度等模拟结果。主要结论如下:随支护力减小开挖面首先产生局部破坏,采用泥浆支护时局部破坏出现在开挖面中部,而采用气体支护时则在底部区域,两种工况下开挖面整体破坏均与三维楔形体破坏模型近似;开挖面土体应力(SXX,SYY和SZZ)与支护力大小存在正相关性,其中SYY分布规律与支护力保持一致;随支护力的减小,开挖面水平最大位移与地表最大沉降量增大速度均先慢后快,地表最大沉降点在开挖面前方0. 5倍洞径处,且横向沉降槽宽度大于纵向沉降槽;土体位移速度和剪切应变增量与开挖面稳定性存在较强关联性,二者在开挖面产生整体破坏时均呈现规律性变化。     

浅埋盾构隧道开挖面失稳大比尺模型试验研究

盾构隧道施工过程中支护压力不足会引起开挖面失稳。针对浅埋盾构隧道,采用大比尺物理模型试验对盾构开挖面稳定进行研究。试验通过控制支护板移动速度来模拟开挖面失稳变形过程,并对支护压力和地表变形进行监测,发现了支护力和地表变形发展的3个阶段。与此同时,采用数码摄像技术对失稳土体实时观测,并利用颗粒图像技术对图像进行处理得到失稳土体的位移增量场。对比发现,位移增量场的变化规律与支护力和地表变形的3个阶段相对应。     

基于随机森林的复合地层盾构#br# 切口泥水压力预测与分析

盾构切口泥水压力是维持开挖面稳定最重要的因素。针对目前切口泥水压力与盾构掘进参数之间关系不明确的问题,基于Python提出了一种随机森林预测模型。以京张高铁清华园隧道工程为依托,考虑盾构几何参数、施工掘进参数以及泥水参数等因素的影响,通过网格搜索方法以及5折交叉验证法进行模型超参数调整,建立了盾构切口泥水压力的随机森林预测模型。研究结果显示随机森林模型对于复合地层盾构切口泥水压力预测具有较高的准确性与泛化性,在训练集与测试集的表现得分分别为0.963与0.946,结合RMSE和R2等各项数据的评估再次验证了该模型的预测能力。最后通过重要度分析得到对模型预测影响较大的参数分别为泥舱压力、埋深比、推力和扭矩。该研究可为同类条件下盾构开挖面切口泥水压力的预测提供一种有效的方法,对于泥水盾构开挖面的预测控制具有重要的现实意义。     

考虑局部失稳的盾构隧道开挖面#br# 挤出破坏数值模拟与理论分析

通过数值模拟和理论分析,研究了盾构隧道开挖面挤出破坏机理。首先,利用有限元软件进行了数值模拟,揭示了隧道开挖面挤出破坏的局部失稳模式,得到了盾构隧道开挖面挤出破坏的局部失稳比和极限支护压力。此外,还进行了摩擦角和相对埋深对局部失稳比率和极限支护压力的参数敏感性分析。其次,基于极限分析方法,提出了一种考虑局部失稳模式的隧道开挖面挤出破坏新机制。新的被动破坏机理由五个圆锥台和作用在圆锥台上的分布力组成。通过对定义的角度和隧道开挖面局部失稳直径进行数值优化,计算得到挤出破坏模型的上限解,进而研究了摩擦角和相对埋深对局部失稳比的影响。比较了数值模拟和理论分析得出的局部失稳比结果。最后,将获得的被动极限支护压力与现有方法进行了比较,表明新的挤出破坏机理为极限支护压力提供了较为满意的预测结果。     

砂卵石地层浅埋盾构隧道开挖面稳定模型试验

为探究浅埋砂卵石地层对盾构开挖的响应及开挖面的稳定性规律,设计了土压平衡盾构精细模拟装置,并开展室内模型试验研究。试验分析了浅埋砂卵石地层盾构开挖面变形对地表沉降、沉降槽形态的影响,得到了开挖面的破坏模式及变形破坏细观过程,并与纯砂地层试验进行对比。研究结果表明:(1)不同空间位置土体对开挖面位移的敏感性不同,但土体的破坏规律相似;(2)随开挖面位移增大,地层沉降–开挖面位移曲线表现出不敏感阶段、缓慢线性沉降阶段、加速沉降阶段、快速线性沉降阶段等4个阶段的规律;(3)浅埋情况下土体未出现局部失稳,经历弹性变形、弹塑性破坏之后直接发展为整体失稳破坏;(4)砂卵石土沉降槽两侧在对称性上存在差异;(5)浅埋砂卵石地层中盾构开挖对侧面土体影响范围较小,对前方土体影响范围较大。     

砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备(包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒),以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1)开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2)当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3)开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

Model test and discrete element method simulation of shield tunneling face stability in transparent clay

The stability of the shield tunneling face is an extremely important factor affecting the safety of tunnel construction. In this study, a transparent clay with properties similar to those of Tianjin clay is prepared and a new transparent clay model test apparatus is developed to overcome the “black box” problem in the traditional model test. The stability of the shield tunneling face (failure mode, influence range, support force, and surface settlement) is investigated in transparent clay under active failure. A series of transparent clay model tests is performed to investigate the active failure mode, influence range, and support force of the shield tunneling face under different burial depth conditions, whereas particle flow code three-dimensional numerical simulations are conducted to verify the failure mode of the shield tunneling face and surface settlement along the transverse section under different burial depth conditions. The results show that the engineering characteristics of transparent clay are similar to those of soft clay in Binhai, Tianjin and satisfy visibility requirements. Two types of failure modes are obtained: the overall failure mode (cover/diameter: C/D≤1.0) and local failure mode (C/D≥2.0). The influence range of the transverse section is wider than that of the longitudinal section when C/D≥2.0. Additionally, the normalized thresholds of the relative displacement and support force ratio are 3%–6% and 0.2–0.4, respectively. Owing to the cushioning effect of the clay layer, the surface settlement is significantly reduced as the tunnel burial depth increases.     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

盾构隧道致地层沉降的物理模型试验研究

通过不同隧道埋深、支护压力和掘进速度的盾构隧道施工地表沉降的大型物理模型试验,总结不同条件下的地表沉降规律,分析土压力的变化特性,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.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;...     

砂卵石地层盾构施工引发的滞后地面塌陷机理

针对砂卵石地层盾构施工地面突发塌陷频发的情况,结合成都地铁1、2号线地面塌陷实例,研究了盾构施工引发的滞后地面塌陷机理;分析了砂卵石地层地质条件,利用大型三轴剪切试验获得其力学特性;选用颗粒离散元法进行数值计算,通过三轴数值试验标定了土体的细观参数;通过数值计算模拟了开挖面失稳和空洞向地表移动.研究结果表明,当开挖面支护压力较小时,位移大于0.1m的颗粒接触力极低,该区域的土体孔隙率变大、力学性质也降低,该区域是开挖面失稳区,掘进过后将在盾构上方形成空洞;砂卵石层开挖面上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞,也不会立刻引起地面塌陷,这是地面滞后塌陷的重要原因.     

泥水平衡盾构开挖面稳定模型试验研究

以崇明越江隧道为背景提出了泥水平衡盾构动态开挖模型试验的可行试验方案,并通过该试验对泥水平衡盾构开挖面平衡的机理,盾构推进时沉降的分布规律进行了研究。试验结果表明,泥水平衡盾构开挖面导致的地表沉降很大程度上取决于开挖过程中泥舱压力的浮动范围。通过将试验结果与楔形体模型理论计算的极限泥浆压力进行对比,得出了更加合理的极限泥浆压力浮动范围,有利于指导将来实际工程的施工。