考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究

当土压平衡盾构穿越高水位地层（如穿越江河）时,地下水与土舱之间的高水压差会产生过大的渗透力,导致开挖面失稳。为了研究渗流条件下开挖面失稳问题,开发了一套隧道离心模型试验装置,主要包括刚性模型箱、模型盾构、开挖面伺服加载系统、水位控制系统、储水箱。针对饱和砂质粉土地层,开展了一系列不同水位高度的稳态渗流开挖面失稳模型试验。结果显示,开挖面失稳过程中随着开挖面位移的增加,有效支护压力迅速下降;在达到最小值 之后缓慢回升并趋于稳定;极限有效支护压力 与水头压力 呈线性关系。     

砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的模型试验和计算研究

针对浅埋盾构隧道开挖渗流对开挖面支护压力和地层失稳模式的影响问题,考虑盾构机开挖仓渣土孔隙水压力和面板及开口率的作用,设计制作了水下地层浅埋盾构隧道的开挖渗流模型并建立了附近地层沉降的量测采集系统。在不同的稳态渗流条件下,逐渐加大盾构隧道开挖仓的进土量,量测开挖面水土压力和孔隙水压力以及附近地层沉降,并配合进行了数值模拟和极限平衡计算分析。研究发现：（1）开挖面有效土压力随开挖体积损失的增加而降低,达到极限值后保持不变;维持开挖面稳定的必要支护压力与可以容许的地层失稳范围有关,开挖面的极限有效土压力与地层的极限失稳范围相对应,是最小的必要支护压力。（2）渗流会使开挖面的极限有效土压力增大,与开挖面-地表之间的水头差大致呈线性关系。（3）渗流会使开挖面前方地层的极限失稳范围增大,但对后方地层极限失稳范围的影响不大;对于开挖面-地表相对水头差较小（小于或等于0.33）的情况,渗流主要起到增大地层沉降量的作用,地层的极限失稳范围只是略有增大;对于相对水头差较大（大于0.33并小于1.0）的情况,渗流主要起到增大地层极限失稳范围的作用,而地层最大沉降量有所减小;对于相对水头差很大（大于或等于1.0）的情况,渗流对地层沉降量的影响和对极限失稳范围的影响都基本上已经达到了极限。（4）地层的极限失稳范围可以自下而上地划分成三个部分,开挖面高度范围内的倒棱锥体,地表以下一定深度范围内的（顶部）倒棱台体,以及两者中间一定高度的（中部）倒棱台体,其中,棱锥体的纵向锥角（或纵向破裂角）及横向锥角（或横向破裂角）都随着相对水头差的增大而增大,对地层极限失稳范围的影响最为显著。     

砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的模型试验和计算研究

针对浅埋盾构隧道开挖渗流对开挖面支护压力和地层失稳模式的影响问题,考虑盾构机开挖仓渣土孔隙水压力和面板及开口率的作用,设计制作了水下地层浅埋盾构隧道的开挖渗流模型并建立了附近地层沉降的量测采集系统。在不同的稳态渗流条件下,逐渐加大盾构隧道开挖仓的进土量,量测开挖面水土压力和孔隙水压力以及附近地层沉降,并配合进行了数值模拟和极限平衡计算分析。研究发现:开挖面有效土压力随开挖体积损失的增加而降低,达到极限值后保持不变;维持开挖面稳定的必要支护压力与可以容许的地层失稳范围有关,开挖面的极限有效土压力与地层的极限失稳范围相对应,是最小的必要支护压力。渗流会使开挖面的极限有效土压力增大,与开挖面-地表之间的水头差大致呈线性关系。渗流会使开挖面前方地层的极限失稳范围增大,但对后方地层极限失稳范围的影响不大;对于开挖面-地表相对水头差较小(小于或等于0.33)的情况,渗流主要起到增大地层沉降量的作用,地层的极限失稳范围只是略有增大;对于相对水头差较大(大于0.33并小于1.00)的情况,渗流主要起到增大地层极限失稳范围的作用,而地层最大沉降量有所减小;对于相对水头差很大(大于或等于1.00)的情况,渗流对地层沉降量的影响和对极限失稳范围的影响都基本上已经达到了极限。地层的极限失稳范围可以自下而上地划分成3个部分,开挖面高度范围内的倒棱锥体,地表以下一定深度范围内的(顶部)倒棱台体,以及两者中间一定高度的(中部)倒棱台体,其中,棱锥体的纵向锥角(或纵向破裂角)及横向锥角(或横向破裂角)都随着相对水头差的增大而增大,对地层极限失稳范围的影响最为显著。     

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。     

成都地铁卵石层中盾构施工开挖面稳定性研究

随着我国社会经济的发展,越来越多的城市开始规划和修建地铁,在此期间,部分城市在地铁建设中遇到了地质条件非常复杂的砂卵石土层,特别是正在建设中的成都地铁1、2号线,区间隧道几乎全部从卵石土层中穿越,根据设计,成都地铁1、2号线部分区间隧道采用加泥式土压平衡盾构法施工。利用土压平衡式盾构施工时,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,目前国内外在这方面的研究主要集中于砂土和黏性土,关于卵石土盾构隧道开挖面变形与破坏的研究很少。基于此,根据卵石土具有强烈离散特性的特点,利用颗粒离散元数值方法,对卵石土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。研究结果显示:（1）开挖面极限支护应力远小于土体原位静止土压力;（2）开挖面失稳后,开挖面前部的滑动块为一曲面体。这为卵石土地层中盾构开挖面控制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。     

软土地层TBM开挖面支护压力计算模型及可视化

隧道掘进机（TBM）近年来在世界范围内得到了广泛应用,通常通过完全充满压力仓的泥土或泥浆来支护开挖面。但在较差的地层和水力条件下,开挖面失稳时有发生。事实上,TBM开挖面的支护压力的大小直接决定了施工安全及地表变形。基于所建立的开挖面支护压力计算模型,并考虑复合地层下土体分层带来的影响,通过计算机编程方法,建立了界面友好、使用便捷的开挖面支护压力可视化计算平台(TBM Studio);并结合阿拉斯加隧道、钱江隧道工程实例进行了不同模型结果的验证分析,给出了各模型计算结果的差异性;讨论了软土复合地层条件下,土体自稳性对开挖面稳定的影响,认为软土地层中定量确定有效支护压力和水头高度至关重要,研究为正确评价TBM开挖面稳定性提供了相应的计算模型。     

考虑渗流的多层土盾构隧道开挖面稳定性分析

将传统模式的均匀土层稳定性分析的楔形体模型扩展到渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性分析中,楔形体是由梯形组成的,每一个梯形对应一层土层,利用太沙基有效松动土压力理论和上限定理,推导了渗流作用下盾构穿越多层土的隧道开挖面极限支护压力的计算公式。极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,其中有效支护压力用极限平衡来计算,渗流力采用水头分布的数值方法计算获得的。计算结果发现,渗透力构成了总支护压力的主要部分,分析结果和工程实测数据是一致的。     

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。      

地铁振动荷载对下穿越盾构开挖面孔隙水压力的影响

盾构穿越饱和砂土地层中的运营地铁时,在地铁列车振动荷载的作用下开挖面前方土体中会产生超孔隙水压力,影响开挖面稳定,通过动三轴试验对不同类型砂土在地铁列车振动荷载的作用下的超孔隙水压力增长规律进行了研究。研究表明,随着地铁列车振动荷载振幅的增大,超孔隙水压力逐渐增大,当振幅不大于10 kPa时,超孔隙水压力的增加并不明显;开挖面支护力减小,会使振动荷载对超孔隙水压力的影响增强,而且这种影响对土体竖向应力卸荷比土体水平应力卸荷更为敏感;在饱和松散细砂地层中,地铁列车振动荷载对超孔隙水压力的影响最为显著;地铁列车振动荷载引起的开挖面超孔隙水压力绝对数值不大,但能使泥水盾构泥膜承受的压力差至少减小约33%。     

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明：在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。     

Research and application of mud proportioning optimization of slurry balance shield in mudstone and gravel composite stratum

Slurry performance is one of the key factors to maintain the stability of excavation face when slurry balance shield is tunneling in complex strata. Based on the engineering background of slurry shield tunneling in mudstone and gravel composite stratum of Nanning Metro Line 5, the control variable method and the self-made slurry shield tunneling system are adopted to compare and select the mud admixture and to analyze the influence of the admixture amount and the formation composite ratio on the slurry relative density. Then, the mud permeability law and the dynamic and static mud film forming law under different formation composite ratios, swelling water ratios and slag dosages are analyzed comprehensively by factorial design. The results show that different admixtures have significant influence on the properties of bentonite slurry. Specifically, potassium methyl silicate and potassium chloride can effectively reduce the relative density of slurry, while sodium chloride and sodium silicate can promote the disintegration of mudstone in water. In addition, the slag admixture can effectively reduce the water filtration, improving the film quality and reducing the consumption of bentonite. When the cutter head speed is less than or equal to 2.5 r/min, the formation rate of mud film is greater than or equal to the failure rate so as to ensure the stability of driving face. The mud swelling water ratio suitable for mudstone and gravel composite stratum (composite ratio: 0?1) is 0.1?0.20, the residue content is 100?200 g/kg, and the potassium methyl silicate is 3.75%?7.50%.     

泥浆在地层中的渗透特性试验研究

保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用,是通过泥浆在地层表面形成泥皮,使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中,泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨泥浆在地层中的渗透规律,采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验,系统地展示了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮或渗透带3种类型,并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小,不仅可以反映泥浆的渗透类型,还可以作为判断是否形成泥皮的标准。     

泥水盾构泥膜动态形成机制研究

随着大直径泥水盾构的广泛应用,盾构掘进过程切削成层土的可能性越来越大,常规的静力平衡的方法不能有效地控制开挖面的稳定。从泥膜形成的机制入手,将泥水仓中的泥浆视为由液相和颗粒相组成的两相流,将开挖地层视为多孔介质,利用多相流在多孔介质中的渗流特性提出了泥膜动态形成的过滤模型。此模型将泥膜视为控制体,并认为泥膜形成过程中遵守质量守恒和体积守恒定律,从边界条件上认为单位时间内从单元体内排出水量与土体积的压缩量相等。过滤模型较好地揭示了泥水盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程和开挖地层力学性质的动态变化过程,对泥水盾构正面稳定有较为重要的意义。     

砂土地层泥水盾构泥膜形成时间及泥浆压力转化率的试验研究

泥水盾构施工中,维持开挖面稳定的关键是要在开挖面及时形成微渗透的泥膜,才能将泥浆压力转化为有效应力来平衡开挖面的土压力。开挖面处的泥膜是动态泥膜,所以泥膜的形成时间是影响泥膜能否有效支护开挖面稳定的重要因素。利用自行设计的泥膜形成时间测量试验装置,在3种地层中,利用5种泥浆开展泥浆渗透成膜试验,研究泥膜的形成时间及相关规律。研究表明,在泥皮型渗透中泥膜的形成时间一般为10 s左右,泥浆性质及粒径对泥膜的形成时间有重要影响。讨论了国内外部分大型泥水盾构泥膜形成时间,发现泥膜从破坏到形成、再到破坏的时间间隔为5～20 s不等,因此,在实际施工中需要调整泥浆性质,使泥膜形成时间小于泥膜从破坏到再破坏的时间。     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。