非均质黏土地基中平面应变隧道最小支护压力数值模拟

土体由于沉积而具有天然的非均质性,但关于非均质地基中隧道开挖面稳定性的研究却很稀少,在实际盾构隧道工程中均按均质地基对待。但这一简化并没有考虑非均质性对保持开挖面稳定所需最小支护压力的有利作用,以及对破坏模式的影响。故文中采用基于tresca准则的弹塑性有限元法来研究黏聚力随深度线性变化的纯黏土地基中平面应变隧道的开挖面稳定性,模拟了土体失稳渐进破坏的全过程。最终验证了无量纲化的有效性,得到了各种工况时保持土体稳定的最小支护压力值,并发现了黏聚力线性变化斜率对深埋隧道破坏模式的影响,可为理论分析和工程实践提供依据。     

非均质土体中盾构隧道开挖面支护力上限分析

基于对数螺旋破坏模式,考虑黏土的非均质特征,采用极限分析上限法推导了盾构隧道掌子面支护力计算公式,通过优化计算得到了不同条件下的最优上限解。采用该破坏模式与已有的模型试验、工程实例进行对比,验证了在非均质土中采用双对数螺旋极限分析上限法的适用性;同时详细分析了在土体不同参数条件下,隧道掌子面支护力、滑动面范围的变化趋势以及工程影响,结果显示在非均质土中,掌子面支护效率的主导因素是初始黏聚力与掌子面超前核心土,最后通过归一化处理得到了非均质土中极限支护力的设计推荐图,可为工程中初步确定盾构隧道掌子面支护压力提供理论依据。     

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。     

浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度分析

开挖面支护压力是影响隧道开挖面稳定的重要施工因素,也是进行隧道开挖稳定性可靠度分析的关键。采用FLAC3D软件计算开挖面的最小极限支护压力,结合响应面法计算浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度指标卢,将土体粘聚力和内摩擦角作为随机变量,考虑土体粘聚力和内摩擦角之间的相关性。分析结果表明,不考虑参数相关性计算得到的可靠性指标偏于保守。通过计算验算点处的极限支护压力与原支护压力比较,证明响应面法在结合FLAC3D计算开挖面稳定的可靠度方面是足够准确的。     

从断裂带内部结构出发评价断层垂向封闭性的方法

盾构施工穿越断层破碎带具有普遍性,而现有的黏聚力沿深度线性变化模型不能充分反应断层破碎带的倾斜性和非均质性,针对这一问题,引入非均质方向角和非均质系数角分别描述断层破碎带的倾斜性、非均质性和非均质系数大小,提出空间非均质分布函数模型。将模型应用于极限分析上限法,推导了盾构穿越断层破碎带隧道开挖面极限支护压力的计算公式,通过算例和工程实例验证了空间非均质分布函数模型的合理性,分析了在不同非均质方向下内摩擦角、黏聚力、埋深比、非均质系数对开挖面稳定性的影响。结果表明：非均质系数角α=90°时,非均质方向角μ的变化对隧道开挖面支护压力无影响;非均质方向角μ≠0°且非均质系数ρ>0时,开挖面支护压力随非均质方向角、内摩擦角、黏聚力、埋深比、非均质系数的增加而减小;非均质方向角μ=0°且H/D≥1时,开挖面支护压力不受埋深比变化影响。非均质方向角对破坏模式形状的影响大于对破坏范围的影响,内摩擦角对破坏模式的形状和范围均有较大影响,非均质方向角和内摩擦角的增大使得开挖面前方塌落体由拱顶往下滑的趋势转变为由前方滑落,针对不同非均质方向角和内摩擦角的断层破碎带的加固侧重点应有所不同。研究结果为确定断层破碎带中盾构开挖面极限支护压力提供了一种可行的计算方法。     

非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动单元上限有限元分析

将刚体平动运动单元上限有限元方法(UBFEM-RTME)与程序作进一步改进,使之适应分析非均质黏土地层稳定性问题。应用该程序系统分析了地表超载作用下非均质黏土地层隧道开挖面稳定性,获得了隧道埋深比C/D、土体重度参数γD/c_(u0)、土体强度非均质参数ρD/c_(u0)等因素综合影响下开挖面失稳临界荷载上限解σ_s/c_(u0)图表和以有效间断线网表征的地层破坏模式及其演变规律。研究表明:隧道埋深比C/D和强度非均质参数ρD/c_(u0)对临界荷载σ_s/c_(u0)及地层破坏模式影响显著;土体重度参数γD/c_(u0)对σ_s/c_(u0)影响明显,但对破坏形态影响不大。进一步展示了不同有效间断线数目及分布等网格参数下地层破坏形态的差异,解释了上限解精度提高的原因,与多块体上限法及上下限有限元法对比表明,UBFEM-RTME适宜于非均质黏土地层隧道开挖稳定性评价研究,特别是极限状态破坏模式的分析。     

软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析

针对非均质软黏土地基上复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过比较系统的数值计算与分析,考察了软黏土非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面形状的作用及影响。结果表明：软黏土地基的不排水抗剪强度对于力矩为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面影响不大,而在水平荷载与竖向荷载为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面具有一定影响。通过与有关模型试验的对比分析,在一定程度上验证了有限元计算模型与数值分析结果的合理性。     

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。     

各向异性和非均质黏土粗糙地基承载力上限计算

通过构建一种网格状多刚性块破坏机制,利用上限法研究了黏土地基各向异性和非均质对粗糙条形基础地基承载力的影响。该破坏机制允许滑动面和速度矢量沿破坏区域过渡区的径向和切向发生变化,形成了更为精确的破坏机制和塑性流动速度场。根据上限定理得到各向异性和非均质性黏土上条形基础极限承载力的目标函数,将其转化为非线性规划问题,并通过编程对该计算模型进行求解。与已有研究成果对比分析表明,两者具有较好一致性,且优于现有同类方法。文中亦探讨了黏土地基非均质、各向异性以及其他相关参数对地基承载力的影响。     

非均质各向异性黏土光滑条基承载力上限解

黏土地基中土体强度的非均质和各向异性是比较突出的现象。在已有工作的基础上,根据目前常用的不排水条件下饱和黏土非均质和各向异性强度模型,采用已被证实计算光滑条基极限承载力相当高效的多块体离散模式,编制了考虑强度非均质和各向异性时黏土地基上光滑条基地基承载力计算的多块体上限解计算程序,实现了非均质各向异性黏土地基上光滑条基地基极限承载力的多块体上限解法。为验证多块体上限解法的应用情况,将计算结果与已有的上限解、滑移线解等做了广泛的对比发现,该处计算非均质和各向异性黏土地基上光滑条基极限承载力的上限方法是相当有效的。为方便应用,基于多块体上限方法给出了非均质和各向异性条件下地基承载力系数 的计算曲线。探讨了 随土体强度非均质和各向异性的变化规律。通过分析非均质条件对地基破坏面的影响,揭示了非均质对地基承载力影响的内在原因。     

考虑孔隙水压力及非线性Mohr-Coulomb破坏准则下浅埋土质隧道三维塌落机制的上限分析

浅埋土质隧道的稳定性研究一直是隧道工程的关键问题,而孔隙水压力的存在影响着浅埋土质隧道的安全。构建了隧道顶部为圆弧形的浅埋土质隧道的三维塌落机制,基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则和极限分析上限法,并考虑孔隙水压力的作用,推导出浅埋土质隧道的塌落范围及支护力的最优上限解计算公式。通过与既有研究进行对比,验证了所提方法的合理性。分析了不同参数对塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响,结果表明:孔隙水压力对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力有着显著的影响;孔隙水压力对塌落范围、塌落土体重力的影响比较复杂,而支护力都随着孔隙水压力系数的增大而增大;不同参数对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响规律不同。新方法可为浅埋土质隧道的设计优化提供理论支撑。     

Continuous velocity fields for collapse and blowout of a pressurized tunnel face in purely cohesive soil

Face stability analysis of tunnels excavated under pressurized shields is a major issue in real tunnelling projects. Most of the failure mechanisms used for the stability analysis of tunnels in purely cohesive soils were derived from rigid block failure mechanisms that were developed for frictional soils, by imposing a null friction angle. For a purely cohesive soil, this kind of mechanism is quite far from the actual velocity field. This paper aims at proposing two new continuous velocity fields for both collapse and blowout of an air‐pressurized tunnel face. These velocity fields are much more consistent with the actual failures observed in undrained clays. They are based on the normality condition, which states that any plastic deformation in a purely cohesive soil develops without any volume change. The numerical results have shown that the proposed velocity fields significantly improve the best existing bounds for collapse pressures and that their results compare reasonably well with the collapse and blowout pressures provided by a commercial finite difference software, for a much smaller computational cost. A design chart is provided for practical use in geotechnical engineering. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于监控量测数据的隧道失稳分析

利用监控量测数据,结合灰色理论建立隧道洞身位移变形系统。采用尖点突变分析方法,对开挖过程中初支结构的稳定性进行分析,建立隧道塌方预测模型。通过杜家山隧道发生的塌方事故与预测模型进行验证,得出塌方预测结果与实际情况相吻合;说明建立的隧道塌方预测模型是有效的,可以用来指导该类隧道的施工。     

公路隧道局部塌方洞段的围岩稳定性评价

结合某公路隧道工程,以现场地质调查和监测资料为基础,在结构面发育且可能发生大规模塌方的围岩洞段,根据现场实际统计的优势结构面产状,采用关键块体理论、非连续变形方法（DDA）首先确定围岩主要的失稳破坏模式,然后运用连续介质分析程序FLAC,在DDA方法确定的围岩实际变形破坏塌方形态的基础上进行计算分析,评价围岩的整体稳定性及加固措施的有效性。分析表明,围岩破坏的主要模式为受结构面控制的局部块体的失稳,工程开挖后围岩不会发生大变形,这与实际情况基本一致,为安全施工提供了保证。采用非连续变形方法和连续介质计算相结合的分析方法对隧道工程塌方稳定性进行研究,取得了较好的效果,研究方法和经验可为类似工程参考并借鉴。     

Three-dimensional undrained tunnel face stability in clay with a linearly increasing shear strength with depth

The undrained tunnel face stability in clay with a linearly increasing shear strength with depth was investigated by three-dimensional finite element analysis. Three parametric studies were performed to study the effects of the cover depth ratio, overburden stress factor and linear strength gradient ratio on the load factor of the undrained tunnel face stability. The influence of the linear strength gradient ratio on the predicted failure mechanism of the undrained face stability was discussed and examined. An approximate closed-form solution was proposed for three-dimensional undrained tunnel face stability in clays with constant or linearly increasing shear strength profiles with depth.     

木寨岭板岩隧道塌方的结构失稳分析及预防措施研究

目前国内已有较多穿越板岩地层的隧道工程,由于板岩的独特性质,板岩隧道工程问题多发,塌方是较为频发的现象之一。通过对木寨岭隧道塌方现象的分析,研究板岩隧道塌方的工程特征及影响因素,在此基础上运用板的稳定理论探讨板岩塌方现象的发生机制,结合实例进行分析,提出预防塌方现象的关键措施,并通过现场实际效果进行检验。结果表明,板岩的层状特性及初期支护跟进的不及时是发生塌方的根本因素,预防塌方现象应从这两点加以入手。木寨岭隧道后续施工的顺利进行,证明对于板岩隧道塌方原因的认识及预防措施的选取较为准确,对类似隧道工程塌方的预防及治理有一定的借鉴和参考意义。     

武汉至十堰高速公路西段隧道围岩稳定性研究

依据工程地质勘察资料, 利用地质分析方法、试验参数的数理统计、极射赤平投影图和对典型工程实例的分析等手段, 研究了影响隧道围岩稳定的主要因素和围岩类别的主要特征, 认为坍塌是隧道工程的主要工程地质问题, 脉体边缘片理发育带、裂隙及降雨是影响隧道围岩稳定的主要因素.      

Undrained stability of wide rectangular tunnels

Upper bound rigid block methods and finite element limit analysis are applied to investigate the undrained stability of rectangular tunnels. Solutions for a range of soil properties and tunnel geometries are obtained for situations in which the tunnel is wider than it is high. The upper and lower solutions for tunnel stability, which accurately bracket the true collapse load, are summarised in a series of stability charts for use in tunnel design.     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

软土地层盾构隧道结构整体抬升实践

软土地层盾构施工易沉降过大导致轴线偏差,出现调坡困难,甚至影响后期列车运行速度,注浆抬升是轴线偏差治理的一种方法。宁波轨道交通某区间在施工过程中因对地层变化理解不彻底,导致沉降过大,调坡困难,为了不造成结构破坏,不影响工程工期,使隧道线型得到改善,对隧道结构整体抬升进行了实践。通过对地质情况分析,结构验算,注浆工艺研究,提出了下部注浆,内部支撑,实时监控,即时调整的思路,在注浆过程及时调整浆液。经过精细化管理,该区间最大稳定抬升量达3 cm。工程实践表明,注浆工艺和内部支撑对抬升阶段通用环管片结构安全起到重要作用,浆液的选择对后期稳定非常重要。该工程探索了软土地层盾构隧道不均匀沉降治理、控制措施,可为其他盾构隧道沉降治理提供参考和抬升设计提供依据。