软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析

对盾构出洞口涌水涌砂灾害问题作了分析。利用Midas-GTS软件,建立了盾构出洞施工的有限元模型。考虑盾构出洞施工的渗流-应力耦合效应,研究了盾构工作井外加固土体前方高水位工况下,地下水绕加固土体下卧土层的渗流规律以及加固土体前方原状土的沉降规律。研究结果表明,在假定井外加固土体完全隔水情况下,洞门涌水涌砂灾害的发生与否受到土体加固长度、井外地下水等因素影响;土体加固长度的增加对工程安全有利,但成本较高;地下水位的降低能有效减小盾构出洞洞门涌水灾害的发生,需综合考虑工程安全性、经济性和工期等来确定合理的施工参数。     

人工土层冻结法加固在盾构出洞施工中的应用

软土地区盾构出洞施工中洞口土体易失稳、渗水,上海明珠线二期工程浦东大道站至张扬路站区间,隧道在盾构出洞施工中,为确保地面建筑及地下管线的安全及正常使用,首次采用了人工土层冻结加固,取得了良好的效果;本文介绍了该工程出洞口土体加固的方案选择、关键技术处理及实际取得的效果,并探讨了人工土层冻结加固在含水松软土层的地下工程中的应用前景.     

考虑邻近土洞影响的盾构掘进速度控制

盾构机穿越邻近土洞区域是在岩溶区修建的地铁隧道常常遇到的问题,为降低盾构掘进对土洞的扰动,以防止盾构突陷、偏离轴线或发生地面塌陷,需对穿越时盾构的掘进参数进行优化控制。针对当前主要根据经验选取掘进参数的不足,根据弹性力学Mindlin解建立了盾构穿越邻近土洞的力学模型,在此基础上,以掘进速度为控制变量,以掘进引起土洞顶部能量密度变化为指标函数,提出了穿越时的掘进速度最优控制问题,并利用梯度法进行了数值求解,最后将该方法运用于广州地铁九号线花-马区间盾构穿越邻近土洞问题的分析中。结果表明:该模型能有效反映盾构掘进时正面推力对土洞顶部的扰动;在该模型上建立的掘进速度最优控制问题,能对掘进速度的控制策略进行优化,优化结果与工程经验相符,具有一定工程应用价值。     

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。     

大直径盾构进出洞加固体稳定性判别方法研究

从监测指标和监测范围两个方面对钱江隧道盾构进出洞加固体稳定性的实时判别进行了研究,即首先在分析板块理论和弹塑性静力学理论的基础上,提出能实时反映盾构进出洞加固体稳定性的监测项目,包括水土压力P及其相应的稳定性评价指标 、 ,而后采用理论分析和试验研究加固体的破坏模式,在此基础上,提出加固体实时监测点布置方案。通过监测点的合理布置,监测加固体所受水土压力P,计算 、 ,可实现加固体稳定性的实时评价     

土压式盾构施工中地下水出渗机理研究

针对土压平衡式盾构机在高水头强透水地层掘进工程中，排土器出口易出现地下水渗出的现象进行了理论研究。通过建立地下水在盾构机内的渗流计算模型，提出了判别地下水渗出发生与否及其出渗量大小的方法，阐明了盾构施工中发生地下水出渗的机理。利用这一模型计算了出渗发生时地下水流失情况，对影响出渗发生的各相关参数进行了分析，为施工中克服和避免这一现象提供了理论依据。     

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明：耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。     

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。     

渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性三维强度折减数值模拟

采用三维有限元强度折减数值模拟,分析了渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性安全系数。基于有限元计算不收敛作为开挖面破坏标准,获得了开挖面主动和被动变形模式下的开挖面稳定安全系数,并得到了开挖面的最终破坏模式。通过对计算结果的整理,获得了支护压力与开挖面安全系数的关系。安全系数存在一个极大值,对应的支护压力即为最优支护压力。最优支护压力在无渗流条件下为静止土压力,在渗流条件下高于静止土压力。渗流条件下开挖面达到主动及被动破坏条件下的极限支护压力均高于非渗流情形。     

裸洞隧道病害形成耦合机制分析

裸洞隧道病害的产生主要是地下应力场在损伤、渗流、温度等因素的耦合作用下形成的,是非常复杂的非线性耦合过程。从裸洞隧道开挖后的弹塑性应力场出发,使用Bui损伤模型与地下水渗流场组成的激励-反应耦合系统研究病害形成的耦合机制。结果表明,裸洞隧道病害是损伤和渗流耦合强度因子在0.5左右时产生的,随着隧道围岩裂隙的扩展和损伤程度的加剧,围岩塑性区半径随水压力的增加而迅速增大,加速隧道病害的产生,其结果为探明裸洞隧道病害形成机制研究、治理与防护起到一定的理论指导意义。     

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。     

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。     

考虑饱和-非饱和渗流作用的土质边坡稳定性分析

饱和-非饱和土的研究一直是岩土工程界的一个热点问题。土体中孔隙水压力的存在使得对岩土体的力学性状的分析变得更加复杂化。基于土体渗透系数与基质吸力之间的相互联系,对理想的各向同性土的水库堤坝进行了非稳定渗流场的数值模拟,得出不同水位、同一水位因不同骤升速率而产生的渗流场的变化规律,并对土体固-液耦合研究进行了初步探讨。把堤坝渗流场的动态变化在时间和空间上进行离散,分别引入到坝坡稳定性的分析中,以极限平衡原理和Morgenstern-Price条分法为基础对坝坡产生滑移的最小安全系数变化规律进行了分析,从而得出渗流-滑坡的内在联系。     

考虑饱和-非饱和渗流的土坡极限分析

给出了均质土坝的下游坝坡的安全系数的计算方法。均质土坝的下游坝坡有可能会通过滑裂面发生破坏。土坝中的土坡通常处于非饱和状态。非饱和土坡的安全系数计算需要考虑吸力对抗剪强度的贡献以及土坡中的非饱和渗流。给出处于饱和-非饱和渗流状态下的土坡的安全系数,有助于评价均质土坝的安全系数。下游坝坡的安全系数计算方法有：极限平衡法、上限解法和下限解法,该算法适用于非饱和土坡,且是在饱和土坡安全系数的计算方法上修正得到的。算例中非饱和土坡安全系数的计算考虑了吸力对抗剪强度的贡献。考虑非饱和渗流理论的土坡安全系数计算方法通常更加接近现场实际情况,并且对于同一坝坡,考虑非饱和渗流计算出的土坡安全系数要比饱和渗流理论计算出的安全系数大。     

隧道突涌水机制与渗透破坏灾变过程模拟研究

针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体"变强度-变渗透性-变黏度"的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量(流速)、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发(不考虑渗透性增大的影响),随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。     

考虑渗流力时对太沙基一维固结理论的修正

考虑渗流力的作用，对太沙基一维固结理论进行了修正，给出了向上及向下渗流时固结度的表达式，并分析了固结过程中渗流应力的变化规律。结果表明：渗流力对固结度的影响较大，特别是在时间因素Tv=0.1附近，是否考虑渗流力的影响将导致固结度的差值达30 %，因而渗流力对固结度的影响是不可忽略的。     

考虑渗流效应的冲流带泥沙起动机理研究

为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。