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。     

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。     

砂土地层中泥水盾构掌子面主动破坏模式试验研究

为研究砂土地层中泥水盾构掌子面主动破坏模式及极限支护力规律,设计一套基于粒子图像测速(PIV)等非接触测量方法的泥水盾构圆形掌子面稳定性控制模型试验系统。试验系统通过降低柔性压力室的水压来模拟泥水盾构掌子面的泥水压力失衡条件,利用PIV等非接触测量手段获取掌子面的位移、剪应变等变形过程,并通过监测水压获取泥水支护力的变化过程,实现对泥水盾构掌子面破坏过程的模拟。对3种埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下的掌子面破坏模式及极限支护力规律进行一系列的模型试验研究,试验结果表明:泥水支护力降低过程中,掌子面的变形可以分为4个阶段,其中第3阶段末掌子面处于极限平衡状态,对应的泥水支护压力为极限泥水支护力;随着泥水支护力的降低,掌子面变形逐渐向地表扩展,当埋深比较小(C/D=0.5)时,临界破坏时的失稳区已经扩展到地表,而埋深比较大(C/D=1.0和2.0)时,临界破坏时的失稳区尚处于地基内部;Soubra和Mollon理论模型中的破坏模式及极限支护力更接近于模型试验得到的结果。     

隧道掘进地层应力释放对开挖面稳定影响数值研究

隧道开挖时通过在开挖面提供支护来控制开挖引起地层应力释放,以维持开挖面稳定并控制地层变形,开挖面稳定则受到地层应力释放的影响。采用有限差分数值软件FLAC3D实现隧道掘进时开挖面应力释放模拟,并分析不同程度地层应力释放对开挖面稳定性影响。模拟发现随着应力释放程度增加,开挖面历经弹性变形、塑性变形和破坏三个阶段,开挖面变形由弹性阶段进入到塑性阶段为开挖面失稳临界状态,而开挖面变形由塑性阶段进入到破坏阶段为失稳极限状态。对失稳极限状态研究发现,此时开挖面失稳表现为开挖面上部局部破坏,随着开挖直径D增加局部破坏失稳现象更加明显;浅埋隧道开挖面局部失稳将发展至地表,而由于土拱效应,深埋隧道开挖面失稳破坏发展至拱顶一定高度处不延伸至地表;失稳对开挖面后方D/4至前方D/2范围内地表沉降影响明显,随着埋深比C/D增大开挖面失稳对地表沉降影响减小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

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。     

盾构隧道穿越断层破碎带开挖面稳定性研究

随着国内越江海隧道的快速发展,穿越断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性的研究具有重要的理论价值和工程应用意义。文章考虑完整岩体与断层破碎带交界面的影响,改进既有楔形体 棱柱体模型,建立考虑地质交界面的极限平衡分析预测模型。基于极限平衡理论推导得到盾构隧道开挖面极限支护压力表达式,研究盾构隧道掘进趋近完整岩体与断层破碎带交界面过程中的极限支护力和破坏体倾角的变化规律。结果表明：当盾构隧道开挖面距离交界面较远时或已通过交界面后,隧道开挖面前方破坏岩土体范围都处于完整岩体或断层破碎带中,此时极限支护压力与常规的地层楔形体 棱柱体预测模型结果一致。当盾构隧道开挖面掘进至断层破碎带交界面距离小于临界破坏长度后,随着距交界面的不断减小隧道开挖面极限支护压力迅速增大,最大值约为完整岩体中极限支护压力的3.5倍,通过交界面后降低为断层破碎带中的极限支护力值。因此在该阶段应严格控制开挖面支护压力,避免发生涌水突泥事故。     

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。     

Experimental study on face instability of shield tunnel in sand

Face stability is critical for ground settlement and construction safety control in shield tunneling. In this paper, a series of 3D large-scale model tests with a tunnel of 1 m diameter were conducted in dry sand for various cover-to-diameter ratios C/D = 0.5, 1, and 2 (i.e., relative depth; C is the cover depth and D is the diameter of tunnel). Each test provided a measurement of the support pressure and the ground settlement with the advance of face displacement. The evolution of soil arching during face failure was investigated by monitoring the redistribution of earth pressure in front of the face in the test case of C/D = 2. In the displacement-controlled face failure tests in the medium density sands, the support pressure dropped steeply to the minimum value, then increased to a steady state with the continuing increase in the face displacement. Relationships between the support pressure and face displacement for various cover depths were also verified by the numerical analysis using the finite difference program, FLAC^3D (Itasca, 2005). The limit support pressure increases with the increase of the relative depth C/D and then tends to be constant. A significant rotation of principal stress axes in the upward arches in the soil during face failure was found in the tests. A two-stage failure pattern is proposed based on the observation of earth pressure. The theoretical and empirical formulas for estimating limit support pressure were verified by the tests results.     

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。     

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。     

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。