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。     

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。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

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。     

泥水平衡盾构开挖面稳定性模型试验研究

在泥水平衡盾构施工过程中,如何确保施工安全并减少对周边环境的影响受到国内外学者的广泛关注,地层土体稳定性问题显得尤为重要,但对于砂质地层开挖面稳定性的失稳机制及其稳定性分析尚处于经验阶段。利用大尺寸模型试验,研究了不同水头高度（无水、0.9 m和1.1 m）下两种地层中开挖面主动破坏的发展模式和受力情况。试验中分析了不同水头高度对开挖面主动破坏的影响,研究结果表明：砂质土层中盾构隧道开挖面失稳时,存在土拱效应,使得地表对开挖面主动破坏的响应存在滞后效应;根据水头高度不同,可将砂质地层中开挖面主动破坏发展模式划分为无水模式、低水头模式和高水头模式;在形成泥膜和提供支护力的过程中,会在砂质土层中产生超孔隙水压力,在确定支护力时,应在静止土压力和静水压力的基础上,考虑超孔隙水压力的影响。研究结果对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。     

考虑渗流的盾构隧道开挖面稳定性分析

通过工程实例,应用VB6.0与FLAC3D软件集成可视化系统,考虑水的渗流效应和不考虑水的渗流效应两种情况,对盾构隧道开挖面的稳定性进行分析。根据稳定性理论,确定开挖面支护压力在进行微小变化时,中心点水平位移发生突变时的支护压力为极限支护压力,得到了两种情况下开挖面的极限支护压力、应力场、位移场和塑性区的变化。结果表明:开挖面失稳的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,考虑渗流的开挖面极限支护压力大于不考虑渗流的极限支护压力,渗流力构成了总支护力的主要部分;由于孔隙水压力的影响,考虑渗流效应的隧道开挖面应力小于不考虑渗流效应时的应力,其位移和塑性区却大于不考虑渗流作用的位移和塑性区;考虑渗流情况下开挖面的稳定性比不考虑渗流情况要差。同时与实测资料比较,验证了软件系统的合理和有效性,为设计和施工时开挖面支护压力的施加提供了一定的指导依据。     

考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析

目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明：不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

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。     

盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究

在盾构开挖面极限支护力的计算理论中,楔形体模型由于简单、直观而得到广泛的应用,但确定滑动面倾角 较为繁琐,尤其是在迎坡条件下的研究较少。在梯形楔形体模型的基础上,通过引入盾构隧道的纵坡坡度角θ,建立了迎坡条件下的盾构开挖面极限支护力计算模型,推导出开挖面极限支护力计算公式。对开挖面支护力计算值的数据分析发现,不考虑渗流力和黏聚力的影响时,滑动面倾角 仅受隧道线路纵向坡度角 的影响较大,而土的内摩擦角c、重度 、开挖面直径D、埋深H和地表附加应力q对其影响很小;考虑黏聚力c的影响时,c≤11 kPa时滑动面的倾角 随黏聚力的增大逐渐减小,且当黏聚力、内摩擦角和开挖面直径一定时,滑动面倾角 只在某一特定数值附近小幅度变化,同时当开挖面直径D>5 m时,滑动面倾角随开挖面直径的增大而增大;土的重度、地表附加应力和埋深对滑动面倾角的数值影响不大,计算滑动面倾角时可不考虑它们的影响。在分析研究基础上得到了滑动面倾角 的计算公式,简化了极限支护力的求解过程。     

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。     

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。      

考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析

采用传统研究方法对盾构开挖面稳定性的分析多基于土体是均质、各向同性材料的假设,显然与其本身的非均质性相违背。为此,开展了考虑土体抗剪强度参数的空间变异性对盾构开挖面稳定性的影响研究。在随机场理论的基础上,采用协方差矩阵分解法建立了描述砂土内摩擦角空间变异性的三维随机场模型,借助于数值分析软件平台研究了内摩擦角的变异系数、自相关距离对开挖面失稳模式、极限支护应力的影响规律,并采用概率分析法探讨了极限支护应力特征值的选取。结果表明：砂土内摩擦角的空间变异性对开挖面稳定性有重要的影响;随内摩擦角的变异系数的增大,极限支护应力的概率分布离散性越大;开挖面失稳模式与自相关距离的大小密切相关,当自相关距离与隧道直径比较接近时,开挖面可能出现局部失稳;提出了开挖面极限支护应力特征值的概念,并结合失稳概率给出了其初步确定方法。     

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。     

考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析

土压平衡盾构在穿越高水位钱塘江粉土地层时,地下水与密封舱之间的高水压差会产生过大的指向开挖面的渗透力。钱塘江粉土黏聚力低,开挖面自立性差,且土体模量小,过大的渗透力会使土体产生更大的变形,导致开挖面失稳。数值模拟中合理选取土的本构关系与模型参数,对计算结果的可靠性十分重要。为了研究渗流条件下开挖面稳定性问题,基于室内试验,对钱塘江粉土的摩尔-库仑本构模型和摩尔-库仑应变软化本构模型参数进行研究。研究发现,钱塘江粉土的剪应变是轴向应变的1.5倍;根据三轴卸荷试验得到应变软化内摩擦角和剪应变的关系,当剪应变为4.7%时内摩擦角达到峰值为25°,剪应变为7.4%时内摩擦角达到残余值为21°,剪应变在4.7%～7.4%之间时,内摩擦角线性减小。采用有限差分软件建立39组三维分析模型,通过与离心机试验的极限支护压力和地表沉降对比发现,相同水位情况下,摩尔-库仑应变软化本构模型计算的极限支护压力与离心机试验的最小误差为3.1%,最大地表沉降的误差为5.67%。证明了在钱塘江粉土地层中使用摩尔-库仑应变软化本构模型的可行性及模型参数的可靠性。     

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。     

考虑盾构掘进速度的隧道掘进面稳定性分析

隧道在低渗透性土壤中掘进,盾构掘进速度的改变将引起作用在掘进面上支护压力的显著变化。考虑盾构掘进速度以及土体的渗透系数的影响,通过伽辽金有限元法推导三维稳态渗流有限元方程,使用FORTRAN代码编制数值分析程序计算稳态地下水流条件下隧道掘进面附近水头分布。维持掘进面稳定极限支护压力由有效支护压力和渗透力共同构成,前者基于土体稳定的极限平衡理论计算结果,后者通过隧道掘进面附近水头分布推导得出。结果发现,低渗透性土层中进行隧道掘进,盾构掘进速度的改变对隧道掘进面附近水头分布产生很大影响,掘进速度的增加将引起作用在隧道掘进面上支护力的显著增加。理论分析结果与实验数据取得较好的一致,验证了该理论与方法的合理性和有效性。     

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。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。