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,...     

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。     

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。     

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。     

超大直径泥水盾构在砂土中的开挖面稳定性分析

超大直径泥水盾构近年来在国内外得到越来越多的应用,其开挖面的稳定性受到高度关注,而泥水支护压力控制则是保证开挖面稳定的关键。对超大直径盾构在砂土地层中的开挖面稳定性进行三维数值分析,重点研究在不同摩擦角下开挖面的失稳模式和极限支护压力,揭示了由泥水容重导致的支护压力不均匀分布对于预测结果的重要性。同时,还将三维数值模拟结果与基于极限平衡理论的楔形体模型进行对比,指出楔形体模型对于分析超大直径盾构开挖面稳定性的局限性。本项研究可为超大直径盾构在砂土中掘进时合理确定泥水支护压力和保持开挖面稳定提供参考。     

砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究

 盾构掘进时推力过大极易造成地表隆起,导致开挖面前方土体被动破坏。基于莫尔–库仑屈服准则,采用大型有限元软件ABAQUS对砂土中盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,得到开挖面的被动破坏支护力并揭示开挖面的被动破坏模式。进而,将传统的三维楔形体极限平衡模型中的棱柱体修正为具有一定倾角的倒棱台,使其破坏区域更为接近真实的土体隆起区域。推导开挖面被动极限支护力关于楔形体倾角的表达式,并通过试算,找出最小的支护力值即为被动破坏支护力。采用修正后的极限平衡模型得到的被动支护力与数值计算结果吻合良好,并且都较好的落在E. Leca等计算的上下限范围内。该模型为盾构隧道施工中确定支护力的上限值提供参考。     

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....     

不同地层条件泥水盾构开挖面失稳状态颗粒流模拟方法研究

采用颗粒流方法合理地模拟泥水盾构隧道掘进的全过程及对模拟结果的有效处理是一个难点。基于钱江隧道和上海长江隧道工程复杂地层条件,建立能全面反映盾构隧道掘进全过程的模拟实现方法,并在结果处理中采用细观尺度与宏观表象相结合方法,研究宏观现象下隐藏的细观机制,同时用定量的细观结构变化解释或预测宏观力学行为。研究结果表明：通过设计,颗粒流方法可合理并有效地模拟盾构推进过程中的开挖问题,即开挖量与土体的密实度及开挖面压力有关：当土颗粒刚度大于模拟开挖面的墙体单元刚度时,表示该压力下土体被开挖掉;反之,压力过小盾构机将停止掘进。研究成果在应用于背景工程中取得了良好的一致性,可为类似工程提供参考。     

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。     

砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

土压平衡式盾构施工中,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,利用能够考虑大变形的拉格朗日有限差分计算程序,对砂土地层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究,探讨了隧道开挖面变形及破坏问题,为砂土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

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。     

砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

干砂盾构开挖面稳定性模型试验研究

盾构技术在地下空间开发中得到广泛应用,保持开挖面稳定性是盾构施工的关键,但这方面的大尺寸模型试验研究一直很少。利用直径1 m的盾构模型,研究了干砂地层中不同埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下盾构开挖面稳定性问题。试验中分析了埋深比对开挖面极限支护力及地表沉降的影响,揭示了开挖面稳定性与极限支护力及地表沉降的关系,提出同时监测控制开挖面土舱压力及地表沉降的重要性,并给出关键控制键参数。对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。     

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.     

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。