盾构隧道开挖面稳定渗流场与应力场耦合分析

地下水作用下成层土盾构隧道开挖面稳定性成为该领域的重要课题。文章利用有限差分数值方法对盾构隧道开挖面渗流场与应力场的耦合进行了分析,探讨了渗流力对开挖面稳定的影响。根据稳定性理论的基本原理,把由于开挖面支护压力的微小变化导致开挖面中心点水平位移突变时的支护压力定为极限支护压力。考虑渗流场时,隧道开挖面失稳的极限支护压力等于作用于开挖面的有效支护压力和渗透力的总和。流固耦合数值模拟分析了地下水作用下支护压力与开挖面变形以及应力的关系,孔隙水压力的逐渐消散导致土体中发生沉降。通过孔隙水压力的存在对盾构隧道开挖面的塑性状态、应力、位移及其大小的影响比较发现:渗流场与应力场的耦合对隧道开挖面稳定产生很不利影响,是不可忽视的重要因素。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于PFC的盾构穿越既有隧道稳定性分析

新建隧道近距离穿越既有地铁隧道时,不但会诱发地表沉降,并且对既有地铁隧道也将产生不利影响。针对盾构近距离下穿既有隧道施工,构建二维颗粒流数值模型,研究新建盾构隧道近距离下穿既有隧道开挖面破坏形态、支护力与开挖位移关系、纵向地表变形及既有隧道周围土压力分布模式。研究表明:盾构开挖面支护压力随着开挖面位移的增加呈现先增加后减小的趋势,由于既有隧道的存在,开挖面逐渐远离既有隧道时,盾构开挖面支护压力较开挖面逐渐接近既有隧道时大。最大地表纵向沉降值出现在距离既有隧道中心2D范围内,随着盾构推进,新建隧道管片上方土压力表现为平缓增加的趋势,当远离既有隧道时,隧道上方水平土压力整体逐渐增加,盾构开挖面前方区域沿深度方向的土压力呈显著的非线性分布。研究成果可为今后此类施工提供理论依据和指导。     

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。     

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。     

Analytical algorithm for longitudinal deformation profile of a deep tunnel

To investigate the longitudinal deformation profile(LDP) of a deep tunnel in non-hydrostatic condition,an analytical model is proposed in our study.In this model,the problem is considered as a superposition of two partial models,and the displacement field of the second partial model is the same as that of the concerned problem.Therefore,the problem can be solved by a model with simple boundary conditions.We obtain the solutions for the stress and displacement fields of an infinite body caused by arbitrary surface tractions on the boundary of the coming tunnel(zone inside the tunnel before excavation) by integrating the extended Kelvin solution over the boundary.The obtained stress solution is used to solve the specific surface tractions,which can satisfy the boundary conditions of the second partial model,on the boundary of the coming tunnel in an infinite body.Then,the specific surface tractions are substituted into the obtained displacement solution to solve the displacement on the wall and face of the tunnel.Therefore,the LDP can also be calculated.The proposed solution is verified by both numerical simulation and the LDP functions recommended by other researchers.The major advantage of our analytical model is that it can consider the effects of the axial and horizontal lateral pressure coefficients.It is revealed that the horizontal lateral pressure coefficient majorly affects the LDP behind the tunnel face,while the axial lateral pressure coefficient dominates the LDP ahead of the tunnel face.Furthermore,the deformation characteristics of the LDPs ahead of the face and the unexcavated core are investigated.The axial displacements of the excavation face can be used to predict the crown displacements ahead of the face.     

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。     

基于不完全拱效应的隧道预处理机制与计算方法

 隧道开挖中,掌子面–超前核心土的变形同样会使其周围产生拱效应,但该种拱效应不同于后方已开挖区域周围的拱效应,称之为不完全拱效应。不完全拱效应的发挥与预收敛变形和挤出变形有很大的关系,基于不完全拱效应提出了超前核心土周围围岩压力的计算公式,此公式与太沙基公式的不同在于考虑了预收敛变形对围岩压力的影响,并在黏性土的推导中考虑了非垂直滑移面效应,假定破裂面与垂直方向存在夹角 。算例分析显示,随着预收敛变形的增加拱顶土压力的变化可分为近线性快速下降、缓慢下降及稳定阶段,计算土压力随内摩擦角、埋深比及黏聚力的增大而减小,且在黏性土中随破裂面倾角的增大而增大。在此基础上,推导了计算基于新意法的超前核心土加固参数的理论计算公式,结合算例验证了理论公式的适用性,该公式计算简单,便于理解,可用于新意法的初步设计阶段。     

郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究

 黄土的特性是其工程性质受含水量的影响很大,郑西客运专线铁路张茅隧道穿越含水量20%的近饱和黄土体,施工难度大。通过系统分析张茅隧道的施工地质条件,确定具有针对性的隧道开挖步序。针对施工需要快速封闭开挖面的特点,结合隧道断面规模特征,研究三维非接触变形观测方法,对开挖后初期支护的拱顶下沉和两壁收敛等特征变形量进行现场长期测试;结合布置在初期支护上的土压力盒与表面应变计的测试,对初期支护的土压力特征和表面接触力特征进行研究,获得近饱和黄土体在三台阶七步开挖条件下的变形和应力特征,总结出该类开挖施工方法下黄土隧道初期支护的极限变形量指标特征,为类似工程提供参考。     

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。     

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。     

Face stability and required support pressure for TBM driven tunnels with ideal face membrane – Drained case

Assuming that an ideal membrane develops at the face, three-dimensional finite element simulations are employed to investigate the effects of tunnel diameter, cover-to-diameter ratio, lateral earth pressure coefficient, and soil strength parameters on the stability and displacements of the excavation face of mechanically driven tunnels in drained conditions. The relation between the face support pressure and the calculated tunnel face displacement gave the minimum face support pressure that should be applied on the tunnel face to avoid abrupt movement of the tunnel face. An equation is given for the minimum support pressure as a function of friction angle, cohesion, lateral earth pressure coefficient, tunnel diameter, and tunnel depth. The minimum support pressures are compared to the analytical solutions available from the literature. For cohesionless ground, the face support pressures obtained from the finite element analysis shows a good agreement with the values from the analytical methods published in the literature when cover-to-diameter ratio is 1. However, as the cover-to-diameter ratio increases, the values from the finite element analysis are greater than suggested by the analytical method. For cohesive ground, the pressure from finite element analysis is found to be almost always equal to or greater than the values obtained with analytical solutions.     

Predicting ground conditions ahead of the tunnel face by vector orientation analysis

Tunnel construction frequently makes use of radial displacements to monitor tunnel support performance, particularly in complex ground conditions. In recent years, absolute displacement monitoring methods have replaced the more traditional radial convergence measurements. It has been suggested by Schubert and Budil (1995) [The importance of longitudinal deformation in tunnel excavation. In: Fujii, T. (Ed.), Proceedings of the 8th ISRM Congress on Rock Mechanics, Tokyo, vol. 3. A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 1411–1444.] that these near-face displacements could also be used to forecast the tunnel conditions ahead of the advancing tunnel face. This paper presents the results from a series of detailed three-dimensional analyses in varying ground conditions, which compares vertical (radial) displacements measured at the roof, vector orientations associated with these roof displacements and tunnel face displacements (extrusion). These numerical results suggest that in all cases vector orientation provided additional information not obtained from traditional radial displacements or face extrusion. If interpreted correctly the vector orientations could provide advanced warning of changing ground conditions in the vicinity of the tunnel face.     

基于环向失稳的浅埋盾构隧道极限支护压力分析

基于数值模拟和理论分析,从环向角度对浅埋盾构隧道开挖面稳定性及极限支护压力进行了研究。通过弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面支护力与变形的关系和最终破坏模式,发现破坏模式主要受内摩擦角和埋深比影响较大,而受黏聚力影响较小。根据得到的破坏模式,建立了一种基于单参数变量的极限平衡模型,通过优化分析得到最危险破坏面和极限支护力。将极限支护力表示为黏聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的叠加形式进行了分析,其呈现为随内摩擦角、埋深比、侧向支护压力比增大非线性减小、随黏聚力增大近似呈线性减小的规律。通过与数值模拟和离心试验结果对比,验证了所建模型计算极限支护力的合理性。     

浅埋铁路隧道CRD法施工对地表变形影响的数值分析

针对龙厦铁路石桥头隧道工程围岩软弱,埋深浅的特点,应用数值分析手段,分析了浅埋铁路隧道在CRD法下施工,对地表沉降变形的影响。结果表明:CRD法下隧道各部施工对地表沉降均有影响,掌子面上部开挖产生的地表沉降明显大于下部,纵向地表沉降随隧道开挖过程分为三个阶段。结合分析结果,文章指出了施工过程中应采取的相应措施。