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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析

非均质是软黏土地基中比较普遍的现象,而目前隧道开挖面稳定研究中比较成熟的理论主要是针对均质土体。因此,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,采用平面应变隧道刚体平动破坏模式(多块体上限法),考虑软黏土地基的非均质性,推导了平面应变隧道极限支护压力关于隧道埋深、土体重度及土体强度的上限公式。通过与其他方法的比较分析,证明了极限分析方法在隧道开挖面稳定性方面的可行性;利用该方法的计算结果详细探讨了隧道开挖面稳定的影响因素;而且由计算结果可知,地基土的非均质性在影响隧道开挖面极限支护压力的同时,也影响着隧道开挖破坏面的位置和形状,为工程实践提供重要的理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

地铁盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载影响研究

为提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,以北京某典型地铁盾构隧道及邻域的基坑工程为基础,应用相似材料模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下地铁盾构隧道的变形特征及围土压力分布规律,并对基坑底部与盾构隧道顶部净距和基坑加载强度的影响进行了分析。研究结果表明：盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载过程中,随着基坑开挖卸荷的进行,盾构隧道逐步上浮,基坑开挖至底部时,竖向位移达到最大值;随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,最大竖向位移差及最大水平位移差均出现在基坑开挖卸荷完成阶段,此时应尽早完成基础底板封闭施工。基坑开挖卸荷-加载过程中,盾构隧道围土压力始终呈葫芦型对称分布,盾构隧道顶部及底部土压力较大,腰部土压力较小,基坑开挖卸荷完成后,长轴方向土压力明显减小,基坑加载完成后,土压力有所恢复,但并未达到最初状态。随着基坑底部与盾构隧道顶部净距的增加,盾构隧道结构位移、拱顶与拱底竖向位移差及水平收敛均逐步减小,当净距大于3 h（h为基坑深度）时,上方基坑卸荷-加载对盾构隧道影响逐步趋于轻微。在基坑加载强度为卸载强度的2倍时,盾构隧道竖向位移可恢复至最初状态。     

Research on Construction Technology and Formation Deformation of Shield Tunneling Under River

In view of the construction technology and formation deformation of the existing rivers under the subway shield interval tunnel, relying on Zhengzhou rail transit line 17 shield tunnel through the south-north water transfer channel project, using the trial tunneling method of shield tunnel test section to optimize all kinds of construction parameters, and the formation analysis and calculation of the determined digging pressure, noting the final parameters that are determined by comparison between the extractive parameters such as pulp pressure, and they are used in MIDAS GTS/NX finite unit analysis software for numerical simulation analysis, combined with on-site testing, to study the variation of different depth formation subsidence values and horizontal displacement values when passing through the south-north water transfer canal under water conditions, and put forward the reinforcement scheme of shield tunneling through the general river bed and hole. The results show that the maximum subsidence of the trunk canal shield through the bottom is 11.3 mm, and the verification parameters are reasonable and feasible. The horizontal subsidence trough of the soil above the over-soil layer at the top of the main canal embankment is distributed by Gauss. The sinking distribution can be estimated using the Peck formula, the middle of the layer subsidence trough is distributed horizontally, and the soil subsidence trough below it is inverted hump-like distribution, with the peak point directly above the center line of the two tunnels, and the vertical zero horizontal displacement surface is located in the middle line position between the two tunnels, and the horizontal zero horizontal displacement surface is located. The horizontal displacement curve of the soil layer above the soil layer is inverted S-type, the maximum displacement appears at the anti-bending point of the surface sedimentation trough curve, the horizontal displacement curve of the soil layer on the horizontal zero horizontal displacement surface is zero, and the lower soil layer curve is double-inverted S-shaped. In the construction, we should pay attention to the monitoring of the vertical subsidence and horizontal displacement of the deep soil, adjust the shield parameters and reduce the horizontal and vertical shearing effect of the deep soil on the surrounding pipeline, inner pile base and other structures during the construction of the shield.

     

盾构隧道抗震分析的静力推覆方法

利用动力时程法对盾构隧道进行抗震分析时,计算时间长,工作量大,土体本构以及阻尼的选择困难,不利于工程设计广泛应用。为了解决这些困难,借鉴地上结构静力推覆分析方法的思想,并结合盾构隧道的地震响应主要由周围土体的地震响应所控制的这一特点,改进了静力推覆方法中的水平加载模式,提出了适用于盾构隧道抗震分析的静力推覆分析方法,并引入了隧道倾斜度的概念来衡量隧道的抗震性能。此法通过对计算模型施加沿地层深度方向分布的倒三角侧向水平位移,来模拟地震对盾构隧道的作用,概念清楚,考虑了隧道与周围土体的相互作用,避免了在动力时程分析中所涉及的土体本构和阻尼的选择、计算模型边界条件等复杂问题,大大降低了盾构隧道抗震分析的难度,同时,可以得到隧道的抗震能力曲线。与动力时程分析的对比结果表明,在弹性阶段,此法的计算结果合理,具有较高的精度,适用于盾构隧道抗震设计。     

Face stability analysis of shallow shield tunnels in dry sandy ground using the discrete element method

Controlling the face stability of shallow shield tunnels is difficult due to the inadequate understanding of face failure mechanism. The failure mechanism and the limit support pressure of a tunnel face in dry sandy ground were investigated by using discrete element method (DEM), which has particular advantages for revealing mechanical properties of granular materials. The contact parameters of the dry sand particles were obtained by calibrating the results of laboratory direct shear tests. A series of three-dimensional DEM models for different ratios of the cover depth to the diameter of the tunnel (C/D = 0.5, 1, and 2; i.e., relative depth) were then built to simulated the process of tunnel face failure. The limit support pressure, failure zone and soil arching were discussed and compared with other methods. The results of DEM simulations show that the process of tunnel face failure can be divided into two stages. With the increase of the horizontal displacement of the tunnel face, the support pressure decreases to the limit support pressure and then increases to the residual support pressure. The limit support pressure increases with the rise of relative depth and then tends to be constant. In the process of tunnel face failure, the failure zone is gradually enlarged in size and expands to the ground surface. The numerical results also demonstrate that soil arching occurs in the upper part of the failure zone and the soil becomes loosened in the failure zone. Consequently, the comprehensive analysis of tunnel face failure may help to guarantee safe construction during tunneling.     

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。     

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。     

基于边界配点法浅埋隧道开挖引起 周围土体变形的分析

对于浅埋隧道施工引起土层位移的解析解,其边界条件的数学处理上比较困难,因此实际工程的应用中受到限制。为解决这一缺陷,基于弹性力学的Airy应力函数,将半无限平面内土体的应力及位移分布转化为解析函数。然后,采用边界配点的方法,控制地表处的应力边界条件( = 0, = 0)及隧道周边土体的位移边界条件( , )。最后,采用最小二乘法,确定土体应力及位移函数的各项系数,求得浅埋隧道在周边土体产生径向位移的作用下,地表及深层土体位移的半数值半解析解。算例分析表明,该方法可以考虑任意荷载及位移作用的边界条件,能够充分发挥解析法和数值法两者的优点,且计算结果与实测结果较吻合,在预测地表及深层土层位移中具有一定的实用价值,可为进一步采取工程措施控制地层变形提供理论依据。