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。     

地下水对盾构开挖面上方土拱效应影响的试验研究

针对地下水对盾构隧道开挖面上方土拱效应的影响,进行了干砂和饱和砂的对比模型试验。首先针对盾构施工过程和试验研究内容,设计了包括玻璃模型槽、隧道装置、数字照相量测装置的试验系统。之后通过试验获得了不同砂土粒径、不同埋深情况下,分别在干砂、饱和砂土层中支护力减小时开挖面上方土拱的形成过程。试验结果显示地下水的存在,减缓了土拱随开挖面位移的形成过程,在相同开挖面位移时,相对于干砂时地下水减小土拱高度的比例为10%~15%。同时,地表沉降的发展过程与开挖面上方土拱的形成过程具有对应关系,地下水的存在通过降低土拱高度从而减小了地面沉降。根据试验结果结合楔形体模型指出,需对上方棱柱体受到的侧土压力系数进行修正,由此体现地下水对开挖面上方土拱效应的影响。     

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。     

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。     

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。     

软黏土地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验研究

针对软黏土地层中隧道开挖面稳定性开展离心模型试验,由远程控制模型推进模拟隧道开挖面被动渐进破坏。通过数字图像处理分析技术对开挖面被动渐进破坏模式进行了探究,结合相应数值模型对比,分析了开挖面极限支护压力以及地表变形规律。研究结果表明:在开挖面被动破坏状态下,隧道仰拱处首先出现与水平方向近似成45°+φ/2向上发展的滑动破裂带,当其发展接近隧道拱顶时,拱顶滑动破裂带形成,两滑动破裂带呈漏斗状向上逐步发展至地表;随着模型向前推进,开挖面压力前期呈现线性快速增长趋势,随后土压力增速逐步减小,开挖面压力值最终趋于稳定,分析确定软黏土地层开挖面被动破坏状态下的支护压力可控制在1~1.9倍的静止土压力;开挖面被动破坏会引起前方地表产生隆起。     

盾构施工中开挖面失稳数值分析

结合工程实例,针对由于开挖支护压力控制不当而引发的地表坍塌事故进行了数值分析,揭示了事故发生的原因,并提出了相应的预防措施与建议,以保证盾构施工的顺利进行。     

饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验

通过开展3组饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验,研究了不同埋深条件下开挖面支护压力不足导致的渐进失稳破坏过程。通过分析大颗粒土滑移松动—裂隙出现—裂隙闭合过程表明,开挖面破坏过程中土体存在变形滞后效应,且该效应随隧道埋深变浅而减弱。对开挖面变形进行PIV精细化图像分析,得到其破坏模式类似于楔形体加筒仓体结构,楔形体倾角约为45°+φ/2。筒仓区土体松动由于存在滞后效应,可能导致开挖面破坏表现出突发现象。为准确预测极限支护压力,将传统楔形体模型改进为宽体楔形体模型,预测结果与试验结果符合较好。     

上软下硬地层中盾构开挖面稳定的可靠度研究

考虑到土体参数的变异性,为了更科学合理地评价盾构隧道开挖面的稳定性,本文结合深圳地铁5号线特殊地层的特点,提出用可靠度方法研究上软下硬地层中开挖面稳定性。在参数不确定的地层工况下,采用数值模拟方法,通过四种神经网络方法预测开挖面支护压力比,选择预测误差最小的GRNN网络方法映射出足够多的压力比,统计求支护压力比概率分布特征。最后建立隧道开挖面稳定的极限状态方程,运用MATLAB软件编写计算可靠度程序,对开挖面的稳定进行可靠度分析。该研究能够科学合理地评价开挖面的稳定程度,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的指导意义。     

软土地层中盾构开挖面失稳情况下的土体扰动影响分析

通过数值模拟和无量纲分析方法,对在典型尺寸条件下、不同埋深比的盾构开挖面失稳土体扰动机制展开了分析和研究。研究结果表明:软土地层中盾构开挖面失稳区域近似呈现出"盆"状;在不同埋深比下,开挖面失稳对地表沉降的影响也不一致,埋深比越大,地表沉降越小,沉降范围越大。该结论为后续软土地层盾构施工提供了有益的参考。     

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。     

水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏机理模型试验研究

水下盾构隧道管片衬砌结构病害的防治是一个公认的难题,揭示管片衬砌结构破坏、失稳的机理显然对病害的科学治理具有很强的指导意义。采用模型试验方法,通过超载的形式对水下盾构隧道管片衬砌结构从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程进行了系统研究。将大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏过程划分为初始弹性阶段、局部损伤阶段、宏观破坏阶段和整体失稳阶段四个阶段,并给出了各阶段管片衬砌结构的力学行为特性;探明了盾构隧道管片衬砌结构失稳临界点,并以关键点位移与隧道外半径比值的形式给出了失稳临界建议值;通过对声发射数据的分析,揭示了管片衬砌结构破坏过程的渐进性特性,并获得了声发射事件出现的频率与幅值分布随外部荷载的变化规律;分析了管片衬砌结构宏观裂纹的出现及扩展规律,并通过最终破坏形态分析了造成管片衬砌结构整体失稳的关键部位的空间分布以及破坏形式。     

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。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

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。     

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.     

浅覆盾构隧道开挖面挤出刚性锥体破坏模式极限分析

浅覆隧道盾构施工过程中可能引起开挖面挤出破坏。为研究开挖面破坏规律,借助已有刚性锥体破坏模式,推导隧道开挖面三维临界挤出压力表达式,建立极限分析上限法非线性规划模型并编程求解。利用该程序,研究了隧道埋深、地层参数等因素与开挖面临界挤出压力曲线关系及破坏模式的演化特征。结果表明,隧道埋深和土体内摩擦角对开挖面临界挤出压力及挤出破坏模式影响较大。发生挤出破坏时,开挖面附近和上方地表范围为主要破坏区域。最后,利用上限法和有限差分法对长沙地铁2号线长沙大道—体育公园站区间隧道某浅埋段进行开挖面稳定性分析,上限法与有限差分法所得结果相互印证,但上限法计算更为简便。