黏土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

开挖面支护应力的控制是土压平衡式盾构施工成功的关键。利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对土压平衡式盾构在黏土地层施工中,因开挖面支护压力控制不当引起的开挖面的变形及破坏问题进行计算分析,探讨了开挖面变形及破坏模式,分析了开挖引起的周围土体应力释放问题,为黏土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

压力舱土体改良对盾构开挖面稳定影响研究

在渗透性大且富含地下水的砂砾地层中进行土压平衡式盾构施工,切削下来的土体具有渗透系数大、流动性差的特点,由于地下水的渗透使压力舱内支护土压力不能有效地施加到开挖面。通过压力舱土体改良技术,降低土体渗透性和提高土体的流动性是改善压力舱土体状态和提高支护土压力的重要措施。利用能够考虑大变形破坏的快速拉格朗日有限差分计算程序研究了压力舱土体改良效果对开挖面稳定性的影响,分析了压力舱土体渗透系数的降低对开挖面支护压力的影响关系,为土压平衡式盾构施工开挖面支护压力的确定提供参考。     

深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式的上限分析

相对于盾构隧道施工的大量需求与快速发展的状况,国内在盾构工法特别是大型深埋盾构隧道施工技术和理论研究方面还存在不足,特别是水压条件下深埋盾构隧道开挖面稳定问题。基于极限分析上限法和水土压力统一参数,对考虑水压影响的均质土深埋隧道开挖面稳定性计算方法进行研究,建立了考虑水压影响的深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式模型,并推导了其极限支护压力计算公式。然后利用土层厚度加权平均法,可将上述方法应用于多层土深埋盾构隧道开挖面稳定性的评价中。最后,以上海长江盾构隧道实际工程为例,采用本文推导的极限分析上限三维对数螺旋破坏模式方法计算并分析其极限支护压力,并将计算结果与前人研究和规范方法计算的结果进行对比分析。通过该研究可改进与完善水压条件下深埋盾构隧道极限支护压力确定方法,从而为考虑水压条件下盾构隧道施工支护压力的合理确定提供理论依据。     

超大直径土压平衡盾构土舱压力和开挖面水土压力分布特性研究

土压平衡盾构土舱压力的设定对于控制盾构掘进对周围环境影响意义重大。结合某超大直径隧道工程,在土舱隔板和盾构掘进断面上埋设水、土压力计,对土压平衡盾构土舱内和开挖面上的水、土压力的分布和变化情况进行研究。监测结果揭示了土压平衡盾构掘进过程中土舱压力和开挖面水、土压力分布和发展特性。结合盾构施工参数进行研究,发现土舱压力增量可以通过螺旋机转速、盾构掘进速度等施工参数计算得到。开挖面上水、土压力无法完全传递至土舱隔板,土舱压力增量约为开挖面总应力增量的76.3%。研究成果为超大直径土压平衡盾构的土舱压力设定提供了有价值的参考。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

沈阳地铁盾构法施工的三维数值模拟研究

以沈阳地铁一号线重工街站至启工街站区间土压平衡盾构法施工为研究对象,利用FLAC3D软件对隧道工程进行三维模拟,对施工前后地表、围岩及支护结构的应力应变进行了分析,得出了地表沉降及支护结构应力变化的规律。结果表明,基于FLAC3D的盾构法开挖过程数值模拟结果直观、可靠,为盾构技术在沈阳地铁工程中的应用提供经验和依据。     

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

土压平衡式盾构掘削面支护压力特性分析

土压平衡式盾构隧道施工过程中,掘削面的支护压力严重影响着掘削面前方土体稳定性和变形。从理论上分析了掘削面前方土体的应力状态,并将其分为5类,根据支护压力的大小判定前方土体的稳定性。建立了三维有限差分模型,采用数值模拟的方法研究了掘削面支护压力与变形的关系。研究表明,在卸载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有抛物线特征,在加载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有双曲线特征,曲线的具体形态则与地层条件等因素有关。研究结果可为土压平衡盾构施工过程中支护压力的确定提供参考。     

砂土中盾构隧道开挖面失稳土体三维形状分析

合理确定盾构隧道开挖面前方失稳土体的形状是开挖面极限支护压力计算及开挖面失稳风险评估的基础和难点。建立模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,利用Handy拱效应理论,依据Mohr-Coulomb破坏准则,得出失稳土体破坏位置和形状的计算方法。研究结果表明,水平方向由于隧道左右两端的支承作用产生水平压力拱,使失稳土体存在一个极限边界,极限边界内垂直方向的土体移动产生悬链线形的最小主应力拱,失稳土体形状类似贝壳形。以南京地铁3号线浦珠路站－滨江路站区间盾构隧道工程作为算例,理论分析和数值模拟结果吻合较好。     

Mechanism and countermeasures of preceding tunnel distortion induced by succeeding EPBS tunnelling in close proximity

Twin tunnels are frequently used to address the increasing transportation demands in large cities. To ensure the safety of twin tunnels in close proximity, it is often necessary to take protective measures that have not been well studied. Field monitoring was conducted for a project of twin earth pressure balance shield (EPBS) tunnels in typical soft ground. The preceding tunnel was reinforced by various measures, including trailer bracing, compensation grouting, artificial freezing and scaffold bracing. The entire deformation of the reinforced tunnel was recorded during the succeeding tunnelling process. A three dimensional finite-element method (FEM) model was established to simulate the entire process of twin EPBS tunnelling, particularly the reinforcement measures. The computed deformations of the reinforced tunnel were consistent with the measured data. Furthermore, the stress history and pore pressure of the surrounding soil were analysed to investigate the deformation mechanism of the tunnel. Both the measured and computed results indicate that although the face pressure of the succeeding tunnel was smaller than the earth pressure at rest, the preceding tunnel could still experience an inward horizontal convergence and a deflection away from the succeeding tunnel. These distortion modes were caused by the squeezing effect of the horizontal soil arch in front of the succeeding tunnel face. Finally, convergence and deflection indices were proposed to quantify and assess the effectiveness of the reinforcement measures. The trailer bracing, as an “in-tunnel” reinforcement technique, was found to be the most effective method for controlling tunnel convergence. However, artificial freezing as an “out-tunnel” reinforcement technique led to the largest reductions in tunnel deflection. A combination of both “in-tunnel” and “out-tunnel” reinforcements was recommended.     

土压平衡盾构掘进参数关系及其对地层位移影响的试验研究

土压平衡盾构机施工过程中,正确地选择掘进参数可以有效地保持开挖面稳定、减少土体位移和地面沉降。通过对杭州地铁1号线盾构隧道施工进行现场监测,研究了盾构机参数关系及其对地层位移的影响。监测内容包括：地表沉降、土体侧向位移、超孔隙水压力以及记录盾构机实时工作参数。研究结果表明,盾构机总推力、土舱压力和刀盘扭矩变化基本同步;盾构机到达前,地表沉降主要受出土率的影响,施工沉降与盾构机土舱内外压力差值成反比;盾尾通过测点后0.5～1 d时间,超孔隙水压力快速下降,且在盾尾通过10 d左右完全消散;工后沉降分为加速沉降阶段和缓慢沉降阶段,占总沉降的 50% 以上,且在孔压计超孔隙水压力消散后继续缓慢发展。     

盾构掌子面三维破坏模型构建与极限支护力计算

为明确盾构施工掌子面滑移破坏机制并确定掌子面支护力的合理范围,基于滑移线理论和极限分析上限定理,利用空间离散技术提出了一种盾构施工掌子面三维滑移破裂模型。依据大主应力拱理论计算滑移区顶部竖向土压力值,并以此作为滑移破坏区上部的竖向荷载计算掌子面极限支护力。研究表明,土拱效应显著影响掌子面前方土体竖向应力的大小及分布规律;将本模型与已有研究方法进行比较,验证了本模型获取的掌子面极限支护力极限分析上限解在黏性土地层以及摩擦土地层中的适用性。同时本模型构建的掌子面破坏区域形态更加贴近离心试验结果与数值计算结果。     

盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站地表沉降控制标准分析

在盾构隧道基础上结合浅埋暗挖法可以有效地解决地铁车站和盾构隧道施工之间的矛盾。北京地铁14号线试验段采用外径为10 m的土压平衡盾构修建,试验段上的车站结合PBA法（洞桩法）扩挖而成。综合运用预测地表沉降的经验公式、相关统计资料和规范,以及数值模拟方法,对大断面盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站的施工过程进行地表沉降分析。结合北京地铁车站地表沉降控制基准值和现有地铁车站地表沉降统计数据,提出较为合理的地表沉降控制标准,并按照三级控制的管理方法,分级分步进行地表沉降控制,研究结果对指导工程施工有一定的参考价值。     

盾构隧道穿越苏州河对防汛墙的影响分析

轨道交通11号线盾构隧道穿越苏州河将会对防汛墙的安全造成影响。为保证盾构顺利实施,拔高影响盾构穿越的桩基,采用双跨门洞式的结构型式对防汛墙结构加固改造。在保证防汛墙安全的前提下,为隧道穿越预留了足够空间。运用有限元数值模拟方法建立计算模型,对隧道穿越前后防汛墙结构的受力和变形形态进行分析。研究结果表明,隧道穿越前底板呈连续梁变形规律,长桩桩身中部和短桩桩端呈向外侧扩张的趋势,整个结构受力性状符合门洞式刚架结构的特性。隧道穿越后,底板的变形趋势与隧道穿越前变形规律相似,最大变形位于隧道上部跨中部位,而桩基变形形态则完全不同,隧道开挖引起长桩桩身中部和短桩桩端向隧道侧的变形,长桩呈挠曲变形,桩身最大变形位于隧道拱轴线附近,短桩呈刚体变形,最大变形位于桩端。经与实测沉降数据对比,盾构的穿越对防汛墙变形的影响处于可控状态,整体防汛墙计算沉降值与实测值较为接近。     

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象,对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算,探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响,揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性,提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。     

盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究

盾构近距离穿越已建地下构筑物位移场的影响因素及其敏感性与常规施工有较大的不同。结合上海地铁四号线隧道超近距离穿越运营地铁隧道的工程实例发现当盾构接近上方近距离（净距为1.05 m）地铁隧道时地层土压力发生较大变化,相应的盾构土舱管理压力需作相应调整。根据隧道受荷机理及弹性力学原理,找到了这一问题的理论依据,便推导了相关理论公式,并在实际工程中设计了盾构土仓管理压力分步台阶控制方案,对盾构控制起到了很好的指导作用,成功地将地铁位移控制在5 mm之内。土压力实测结果与理论推算的数值大小及分布相当接近,说明所采用的理论方法是正确可靠的,在盾构超近距离穿越施工中具有重要指导意义。