基于透明土的隧道开挖面稳定性三维可视化模型试验研究及应用

为研究承压渗流条件下复合地层盾构开挖面失稳破坏模式及支护压力,自行研发了一种可以自由施加多种渗流承压作用的三维可视化盾构开挖面稳定性模型试验系统。该系统首次采用两种不同透明土材料模拟黏土-砂砾石复合地层,不仅可以消除原样砂砾的粒径效应,而且可以清晰演示复合地层内部变形过程,并基于数字图像测量技术和自行编写的三维地形位移场重构程序可精准获取开挖面三维破坏体视图。应用该设备进行了7组盾构隧道不同埋径比(C/D=0.5,1.0,2.0)的模型试验,系统研究黏土-砂砾石复合地层有无承压水渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性。试验结果表明:有无承压水渗流条件下,支护压力随开挖面后撤位移曲线均存在明显3个阶段;临界破坏状态下,模型试验得到的破坏体形态与隧道埋径比C/D有关,隧道浅埋与深埋时破坏体形态存在不同,此外,破坏体形态还与土层类别息息相关,不同土层中土体破坏形态也不尽相同;相比无渗流条件,承压渗流条件下开挖面土体失稳破坏区域影响范围更广。同时,以上试验也表明了该试验系统可形象地再现盾构开挖面失稳破坏演化过程,具有采集精度高、稳定性好和可操作性强等优势,适用于各种复杂工况下复合地层开挖面稳定性研究。     

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。     

砂土中盾构动态施工室内模型试验可行性研究

目前用于分析研究盾构隧道开挖诱发地层变位的室内模型试验往往无法模拟地层损失、隧道埋深、隧道动态推进等因素的影响效应。为此,采用自行研制的室内模型试验装置进行砂土中盾构隧道一次开挖完成及不同地层损失率条件下盾构隧道动态开挖的室内模型试验,获得的天然砂土地面沉降分布曲线特征与已有研究成果基本相符,表明该装置可模拟不同地层损失及盾构隧道动态施工。     

干砂地层中盾构开挖面失稳模式及土拱效应试验研究

盾构开挖面的稳定直接关系到盾构施工的安全,而国内外关于开挖面失稳模式的大型模型试验研究却很少。利用直径1m的盾构模型,对干砂地层中盾构开挖面稳定性问题进行了研究。通过对开挖面前方土体应力状态变化的监测,从土体应力变化的角度,揭示了随着土拱的形成、发挥和发展过程,开挖面经历了局部失稳和整体失稳这样一个渐进破坏的模式。将试验结果和楔体模型计算结果进行对比,对计算模型参数的选取提出了建议。     

复杂地层环境下的盾构开挖面稳定性研究

盾构掘进过程中,开挖面的稳定对周围岩土体及上部结构具有重大影响。变异地层条件下的盾构掘进施工,对开挖面稳定性研究更为重要。通过模型试验与数值分析,结合合肥地区土层的实际情况,研究复杂地层环境下盾构开挖面无支护情况下的稳定性,探讨盾构开挖面中心位移与地表变形累计值之间的关系。研究表明:在开挖面无支护情况下,盾构开挖面易出现失稳状态,在试验中出现了局部土体脱落现象;开挖面塑性破坏区集中,且向表层土体延伸,即开挖面失稳将使地表发生较大沉降变形;提出了开挖面中心位移Y与地表变形累计值Smax的简单线性关系,为复杂地层环境下盾构开挖面的稳定性分析提供了新思路。     

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。     

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。     

软土地下工程与深基坑研究进展

针对当前国内外软土地下工程研究现状进行系统概括和评述,重点探讨深基坑和盾构隧道两种典型地下工程涉及的关键土工问题。其一是复杂地质及环境条件下软土基坑工程的分析方法与新技术,包括基坑围护结构受力分析、基坑抗隆起稳定性分析、渗流对基坑稳定性的影响、深基坑工程中的冗余度问题、软土基坑工程的新技术;其二是软土隧道工程的稳定与变形问题,包括隧道开挖面稳定性分析、渗流对隧道开挖面稳定性的影响、隧道纵向不均匀沉降与长期沉降、隧道地震响应分析与动力模型试验;最后是软土地下工程施工的环境土工效应,包括基坑开挖引起的土体变形、隧道开挖引起的土体变形、地下工程开挖对周围环境的影响。     

盾构隧道掘进面稳定性砂土模型试验研究

为研究盾构隧道掘进过程中开挖土体的破坏形式,本文通过自行研制的模拟试验装置,在不同工况下,对砂土地层中隧道掘进面稳定性进行了试验研究。并将本试验所得到的掘进面土体破坏形式与ChambonCort’e、Mair等学者的研究成果进行了对比分析。试验结果表明,砂土地层掘进面土体破坏形式与这两种模型是相一致的,主要体现为:(1)在盾构隧道掘进过程中的开挖土体可以近似看成楔形体,破坏区域上方基本表现为筒仓状;(2)在砂土中沿垂直拱部方向从隧道拱顶一直到地表的开挖土体呈狭窄的"烟囱形"。通过试验得到了砂土地层中隧道掘进面土体破坏的具体形式,试验结果对实际工程有一定的借鉴意义。     

地铁隧道工程人工冻结法研究进展

简要介绍了近年国内人工冻结法在地铁隧道联络通道和隧道进出洞施工中的应用.根据人工冻土的物理力学性质和工程中的问题,将已有成果主要分为施工现场监测、室内与模型试验、理论与数值模拟三部分进行讨论,总结了有关施工工艺的改进、温度场在施工过程中的发展、冻胀融沉引起位移的预测、理论建模和多场耦合的数值模拟等研究进展,并提出一点建...     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

隧道管片接缝密封垫防水机理及试验研究

随着盾构隧道的水压升高,加强接缝处的防水是隧道建设的关键。针对隧道管片接缝处密封垫的受力和变形特征进行分析,建立了密封垫防水的力学模型并对密封垫在侧面水压作用下的表面接触压应力进行了理论推导。根据表面接触压应力的组成,对挤压密封阻力和自密封阻力进行了量化,分析得出密封垫的防水性能除受到密封垫自身的接触面积、弹性模量和厚度的影响外,还受到螺栓的有效横截面积、弹性模量和有效夹紧长度等因素的影响。结合工程实例,以一种常用盾构隧道管片的密封垫为研究对象,进行了耐水压力试验和装配力试验。通过对试验现象的解读和数据分析,为下一步隧道管片接缝密封垫的设计和生产以及盾构施工提供参考。     

地面出入式盾构法隧道施工技术研究综述

地面出入式盾构(GPST)由日本株式会社大林组研发,作为一种新型盾构隧道施工方法,无需传统盾构的端头工作井,明显减小对周围环境的影响,同时缩短工期。该技术目前的实践工程较少,存在多方面工程技术难题。根据已有研究资料,阐述地面出入式盾构的相关技术难题,主要从隧道衬砌、盾构姿态、同步注浆等几个方面进行总结,分析现有研究不足之处,提出需要进一步研究的方向和研究思路。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

软土地层土压平衡盾构法施工的模型试验研究

我国沿海地区以及许多内陆城市的地下广泛分布着很深的软黏土沉积层,目前该区域的许多城市都已兴建或正在筹建地铁。为确保在这种软弱地层中能采取与之相适应的盾构工法、减少对周围环境的影响以及降低工程造价,以上海地铁M8线某区间隧道工程为研究背景,采用室内模型试验的方法,进行了土压平衡盾构针对软土地层的适应性试验研究。为此,首先根据相似理论和模型试验方法建立了土体–盾构机器之间的相似系统;随后,针对上海地区特定的软土地层,进行了人工模型土壤的配制和模型试验方法的设计,并利用直径400 mm的模型盾构机模拟直径6340 mm的原型盾构机;最后,进行盾构不同工作参数组合的掘削试验,并记录下试验过程中机器工作参数及土体内应力和变形变化的有关试验结果,通过对试验数据的整理与分析,得出了软土地层中土压平衡盾构法施工的一些有用的规律。     

盾构隧道横向刚度有效率研究

对现有国内外盾构隧道横向刚度有效率的取值进行了整理分析,认为目前通错缝隧道刚度有效率的取值常凭经验判定,缺少足够的验证。基于二环盾构隧道相似结构模型加载试验的结果以及相关研究成果,发现隧道加载时变形与荷载存在着明显的线弹性关系,隧道刚度有效率为一常数,符合修正惯用设计法的理论基础。对上海地铁盾构隧道的研究表明,通缝拼装时刚度有效率为0.67,错缝拼装时刚度有效率为0.75,软弱土体抗力对隧道有效刚度的影响可以忽略。通过与已有经验公式、结构试验结果的比较,表明相似模型结构试验具有简单、可操作性强、数据丰富、结果可信、经济的特点,可成为研究通错缝拼装盾构隧道刚度有效率的较理想方法。     

地铁二号线赤鹭盾构区间设计

结合广州地铁二号线赤岗-鹭江盾构区间隧道工程；从盾构管片的设计、隧道防水设计及建筑物保护设计介绍了其隧道的设计新技术，工程结果显示该设计取得了良好的社会经济效益。