盾构隧道开挖面稳定极限理论研究

基于村山氏极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道开挖面稳定性,推导了维持开挖面稳定的最小极限支护压力计算公式.类似于Terzaghi地基承载力的叠加原理,将极限支护压力表示为土体黏聚力、地表超载和土体重度三项贡献的叠加,并对各自影响系数进行了分析.分析结果表明,极限平衡法得到的黏聚力影响系数随土体内摩擦角增大而增大,...     

黏性地层中深埋直墙拱形隧道的支护压力及稳定性

在剪切破坏理论基础上采用极限分析法对黏性地层中深埋直墙拱形隧道展开研究。首先基于加载试验提出了破裂区的理论模型,考虑隧道侧面剪切楔形体的双滑裂面作用建立了侧压力表达式,得出侧压力及竖向支护压力的近似解,并提出了隧道侧压力与竖向土压力相互作用理论。根据剪切楔形体的稳定建立无支护深埋直墙拱形隧道的稳定性定量判别条件,得出极限承载力近似解。定义了基于极限分析法的稳定安全系数,并分析深埋隧道稳定性的影响因素。研究结果表明:本文提出的破裂区理论模型、极限承载力值与试验结果接近;基于双滑裂面作用的竖向支护压力、侧压力显著小于传统理论值;在良好地层中,拱形隧道极限状态下的竖向支护压力越小则侧压力越大,侧压力或侧压力系数?越大则竖向支护压力越小;黏聚力是无支护的深埋直墙拱形隧道稳定的必要条件稳定安全系数K随黏聚力、内摩擦角的增大而增大,随隧道跨度、高度的增大而减小;黏聚力对K的影响比内摩擦角大,跨度对K的影响比高度大,而埋深越大对深埋隧道稳定安全系数的影响越小。     

顶管开挖面支护压力影响研究

基于ABAQUS数值模拟方法,逐渐减小开挖面支护压力模拟管节顶进过程中土仓压力的变化,研究支护压力变化过程中地表沉降和变形规律,并对影响开挖面及地表位移的因素进行探讨。结合某市顶管工程,对顶管机到达不同开挖面时的地表竖向位移进行监测。结果表明:当开挖面达到极限支护压力时,引起地表产生附加竖向位移;地表沉降曲线呈高斯分布,且因管节埋深、土体黏聚力和内摩擦角的不同呈现不同的分布范围和沉降量;地表监测数据与数值模拟结果趋势吻合。     

软黏土地层顶管隧道掌子面稳定性数值研究

土压平衡式顶管施工中顶进支护压力是维持前部掌子面稳定的重要施工控制参数。在软黏土地层中考虑分段顶进和开挖土体受扰动强度折减,采用数值模拟分析顶进掌子面支护压力不足引起的前部土体主动破坏模式、塑性区发展、地层扰动以及土体应力释放,在此基础上进一步研究顶管隧道埋深、管径、土层性质和不同扰动强度折减等因素对极限顶进支护压力的影响规律。结果表明:(1)当掌子面顶进支护压力逐步减小时,前部土体呈现半梨形外鼓破坏模式;塑性区在一定范围内发展近似形成半椭球形;掌子面应力释放率逐步增大,但不同部位处的应力释放率存在差异,掌子面中心处应力释放率大于顶部和底部;(2)主动极限顶进支护压力随着埋深和管径增大而不同程度地增大;土层性质参数对极限顶进支护压力影响的敏感程度依次为内摩擦角、粘聚力和弹性模量,其中内摩擦角和粘聚力受扰动折减程度对极限顶进支护压力有较为显著的影响,弹性模量扰动折减则几乎无影响。     

考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

复合地层中隧道开挖面支护压力对地层变形的影响

建筑物密集区域对变形控制相当严格,隧道开挖面合理支护压力往往不由极限支护压力确定,而是由地层变形控制标准来确定,因此有必要探讨开挖面支护压力与地层变形之间的内在关系。针对广州地区典型的上软下硬复合地层条件,考虑盾构的实际掘进过程,研究了欠压状态下开挖面前方土体的位移模式,并分析了不同条件下开挖面支护压力与地层变形之间的内在关系。结果表明,当土体性质不同时,欠压状态下开挖面前方土体表现出不同的位移模式;不同埋深情况下开挖面极限支护压力比基本相同;土体内摩擦角及黏聚力对开挖面所需的合理支护压力大小的影响显著。     

渗流作用下粉砂地层中盾构隧道#br# 开挖面失稳模式离心试验研究

为研究渗流情况下开挖面支护力变化规律及失稳破坏模式,开发一整套离心模型渗流试验装置。通过开展不同内摩擦角干土和不同水头压力饱和土的试验,研究了不同土质开挖面支护力变化规律和前方土体渐进破坏机理,分析了同一种土渗流力对开挖面支护力及失稳响应机制的影响。结果显示,随着开挖面后撤位移S的增大,开挖面支护力P分为迅速下降(S ＜ 1.5D %)、到达极限支护力Plim后缓慢回弹(1.5D %≤ S ≤ 3D %)、逐渐趋于稳定值(3D % ＜ S) 3个阶段;开挖面支护力随着内摩擦角的增大而较小,随着水头压力的增大呈线性增大;土体失稳模式与土体内摩擦角有关,是一个由局部破坏到整体破坏的渐进过程,不同内摩擦角土体在土拱迭代过程中响应时间不同,渗流力加剧了土拱迭代速度和破坏力度,验证了渗流力具有各向异性。     

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。     

上坡条件下盾构开挖面极限支护压力研究

近年来盾构施工技术已广泛应用于隧道工程,在盾构掘进过程中维持开挖面的稳定是整个盾构施工的关键。在越江隧道中,由于江底土的埋深较地面要低许多,盾构在穿越时必然比一般的平地隧道具有更大的纵坡坡度,研究坡度条件下的开挖面极限支护压力大小具有实际工程价值。采用极限分析上限法,建立土体破坏模型,推导上坡条件下的开挖面极限支护压力理论公式,并与平坡条件下和上坡条件下的有限元分析结果进行对比,分析结果表明:理论计算能很好地用于粘聚力较大或内摩擦角较大的土体,可以很好地用于实际工程;随着坡度角的增大,维持开挖面稳定所需的极限支护压力显著增大,且与坡度角呈线性关系。     

盾构隧道开挖面极限支护压力三维极限平衡解

通过优化楔形滑块倾角并考虑滑块侧面土体抗剪强度的影响,对现有三维梯形楔形体模型进行改进,建立了一种盾构隧道开挖面极限支护压力的三维极限平衡计算模型.推导了极限支护压力的计算公式,并通过优化分析得到了其最优解.通过优化得到的滑块倾角随隧道埋深增加略有减小,随土体内摩擦角Ψ增大而增大,且高于通过(r)/4+Ψ/2得到的值....     

浅埋隧道破裂面的极限平衡分析法

为了获得浅埋隧道破裂面稳定性定量评判指标,采用极限平衡原理与变分方法分析浅埋隧道破裂面的分布状态,以此为基础,建立以安全系数为评判指标的浅埋隧道稳定性分析方法。结合数值模拟分析得出,围岩破裂面接近直线,起始点位于隧道拱腰至拱顶区域,随着隧道埋深的减小,产生冒顶的区域越向拱顶集中,且数值模拟获得的破裂区域与理论结果较接近;埋深对隧道安全系数影响较小,围岩内聚力和内摩擦角对隧道安全系数影响显著,随着内聚力和内摩擦角增加,隧道安全系数增加;F为静止土压力时,理论分析和数值模拟所获安全系数发展趋势一致,且所获得安全系数小于数值模拟结果,较为保守。     

盾构开挖面极限支护力的简化计算公式

盾构开挖面极限支护力的确定是盾构法施工中一个需要解决的重要问题,基于楔形体模型对盾构开挖面极限支护力的简化计算研究,提出了极限支护力可以通过线性拟合得到。该方法将极限支护力简化为砂土内摩擦角φ的线性公式。通过对地面附加应力P₀=0,砂土的重度γ=18 kN/m³,开挖面直径D=6 m,埋深H=10 m时的lnσ_T与φ的关系曲线的线性拟合得到该条件下的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,又通过引入砂土的重度影响系数a、盾构的开挖面直径影响系数b和埋深的影响系数c,得出了在一定范围内适用的考虑砂土的重度、盾构的开挖面直径和埋深等影响因素的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。     

矩形顶管隧道掌子面支护压力及稳定性分析

为了研究繁华城区大断面顶管隧道施工过程中掌子面的支护压力及稳定性规律,本文采用有限元数值模拟,计算分析了不同地层下隧道掌子面变形发展规律,对比分析了两种工况下极限支护压力比λ,同时计算分析了隧道埋深和土体强度因素对极限支护压力的影响规律。研究成果能够为工程施工中掌子面稳定压力的确定提供数据支持。     

地下水渗流作用下的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

利用数值模拟技术对地下水渗流情况下盾构隧道开挖面的渗流场进行模拟,获得了隧道开挖面周边各节点的孔隙水压力。基于极限分析上限定理,利用各节点孔隙水压力计算出隧道开挖面上限破坏机制中的孔隙水压力功率,并将其视为一个外力功率代入虚功率方程中,构建出考虑渗流影响的开挖面安全系数目标函数。通过非线性序列二次规划法对该目标函数进行优化计算,得到开挖面安全系数上限解。利用强度折减法验证了该方法的有效性,并将其用于考虑地下水渗流作用的盾构隧道工程实例分析。研究表明:在考虑地下水渗流的情况下,开挖面安全系数随土体黏聚力、摩擦角、开挖面支护力的增大而增大,随地下水位的升高而减小;开挖面的破坏范围随摩擦角的增大而显著减小,但地下水位线的位置对开挖面的破坏范围影响较小。     

土质隧道深浅埋分界的理论解析

为了从理论上确定土质隧道深浅埋的分界深度并阐明其与影响因素、经验值的关系,以卸荷拱为研究对象,通过引入卸荷拱跨中法向压力极限值为Rankine被动土压力的假定,建立了粘性土隧道和砂性土隧道深浅埋划分的定量判据和求解方程。理论分析表明,粘性土隧道中n值(深浅埋分界深度与压力拱高度的比值)与土体粘聚力、内摩擦角及隧道宽度有关,而砂性土隧道中n值仅与内摩擦角有关。n的理论取值范围为1.0～3.3,经验值在该取值范围内。通过与《人民防空工程设计规范》的对比表明,静荷载作用下的深浅埋分界深度比动荷载作用下的深浅埋分界深度更大。最后通过郑州-西安高速铁路客运专线的大断面黄土隧道工程实例验证了本文方法的可靠性。     

考虑渗流影响的盾构隧道开挖面稳定上限分析

通过考虑渗流影响的弹塑性有限元分析,获得渗流条件下的开挖面破坏模式,对比无渗流条件下开挖面的破坏模式,分析渗流对开挖面破坏模式的影响。基于极限上限分析,对无渗流条件下的破坏模式进行改进,提出了适合渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性分析的破坏模式,建立了考虑渗流影响的极限分析上限法,获得了渗流条件下维持开挖面稳定的总极限支护压力。结合算例验证了该方法的有效性,并将其用于钱江隧道工程实例分析。研究表明：渗流会影响开挖面破坏模式,但当水位线不高于地表时,这种影响可以认为是一定的与隧道直径和土体内摩擦角等因素无关。总支护压力的很大部分被用于平衡渗流力,且总支护压力值与地下水位线近似呈线性关系。     

考虑黏聚力及放坡角度的土钉墙侧土压力计算

基于极限平衡理论及平面滑裂面假定,在考虑土黏聚力及放坡角度的基础上,推导了平面滑裂面剪切破坏角的数学表达式。结果表明:平面滑裂面剪切破坏角与土的黏聚力、计算深度无关,与放坡角度和土的内摩擦角均成线性关系。在剪切破坏角计算的基础上,建立了一个符合实际的土钉墙侧向土压力计算公式。实例计算结果表明:建立的土钉墙侧向土压力计算公式适用于不同放坡角度的土钉墙,不但适用于无黏性土,同样适用于黏性土。     

密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究

砂土地层中盾构掘进时,开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳事故。通过3种不同隧道埋深比（C/D=0.5,1和2）的离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性问题进行了研究。离心试验研究发现,随着开挖面位移的增大,开挖面支护力先减小为极限值而后逐渐增大并最终趋于残余值;开挖面前方土体总体呈现“楔形体+棱柱体”的失稳区;隧道相对浅埋时（如C/D=0.5）,极限状态下失稳区已扩展到地表;隧道相对深埋时（如C/D=1和2）,极限状态下失稳区尚处于地基内部;极限支护力随着隧道埋深比的增大先增加而后基本保持不变。最后,通过现有几种极限支护力理论计算模型对本文试验预测结果的比较分析,评估了上述理论方法的工程适用性。该研究成果对砂土地层中盾构开挖面稳定性控制具有指导意义。