基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明:所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^(3D)数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。

饱和土地区不同直径盾构穿越既有隧道的理论研究

随着城市地铁隧道空间断面的多元化发展,既有隧道不可避免地面临不同直径盾构穿越的巨大风险。基于半无限饱和土初值解,考虑盾构机直径与类型,提出开挖面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力等施工参数的修正计算方法,推导出饱和软土地区不同直径盾构穿越引起既有隧道竖向变形的计算公式。研究结果表明:相较于已有文献中计算方法,本文计算方法在预测饱和土大直径盾构穿越引起的既有隧道变形时更有优势。盾构斜穿既有隧道时纵向沉降槽会发生偏移,变形在盾构离开隧道轴线4.5倍盾构机长度后趋于稳定。不同类型盾构机开挖面稳定原理的差异性是影响计算结果的关键因素,考虑泥浆重度分布的开挖面附加推力比考虑挤土效应的开挖面附加推力对盾构直径变化更为敏感。

盾构隧道掘进施工对地层扰动的模型试验分析

以深圳市16号线二期地铁隧道建设项目的施工盾构机为样板,研制模型式土压平衡式盾构机,分析其在砂土地层下的扰动作用机制。在试验过程中对盾构掘进方向的地表及隧道附近地层布设量测装置进行监测,并对数据进行对比分析。研究表明:60%的总沉降变形源于盾尾脱环(未注浆导致地表显著沉降),且20%~30%的总沉降变形源于由于未注浆,导致摩擦力增大,地层扰动增加,从而引起地表沉降增大;沉降变形主要原因是地层损失,沉降变形量的关键因素在于盾尾注浆情况和土体基本性质;隧道衬砌结构呈椭圆形土压力分布,且存在有限元数据偏大,模型试验结果偏小现象;地表沉降槽宽度系数i在不同模拟工况下具有较高的相似度。

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Φ800 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。

一般应力状态下泥浆渗入对泥水盾构开挖面土体剪切强度影响分析

采用真三轴实验定量研究一般应力状态下泥浆渗入对泥水盾构开挖面土体剪切强度的影响,基于空间滑移面理论、三剪切角理论等考虑中主应力的破坏准则,研究天然土体一般应力条件下中间主应力对强度参数的影响规律。结合上海长江隧道工程,运用村山公式定量刻画同时考虑一般应力状态及泥浆作用时土体强度对泥水盾构开挖面有效泥浆支护压力设定值的影响程度。研究结果表明:对于砂质粉土,泥浆作用和中主应力的影响共同制约着有效泥浆压力的取值,且泥浆作用的影响更为显著,实验中有效泥浆压力相比天然土体情况提高了53%;而对于淤泥质黏土,泥浆作用及中主应力对泥水盾构开挖面的有效泥浆压力设定值影响较小,但中主应力系数的变化同样制约着泥浆作用对有效泥浆压力取值的影响程度。

泥水盾构开挖面稳定性影响因素敏感性分析

盾构施工过程中开挖面的稳定性由隧道直径、埋深、水头高度等诸多因素决定,文章采用Plaxis8.2有限元计算软件,对开挖面稳定性影响因素进行了敏感性分析。结果表明:内摩擦角φ、水头高度H_w、埋置深度H和隧道直径D更为敏感,应作为泥浆压力设定的主要参考因素;地下水产生的渗流力和超孔隙水压力等因素,将改变开挖面的受力情况。在进行支护力计算选取时,须考虑地下水的影响;隧道埋深较小时,对开挖面的稳定性影响较大,随着埋深的不断加深,其影响将被削弱;隧道直径D与开挖面极限最小支护压力呈简单线性关系。

北京地铁敞口式盾构掘进对砂层土体扰动规律研究

敞口式盾构在砂层掘进时会扰动周围土体,易引起地层坍塌.以北京地铁6号线2期敞口式盾构施工段为工程背景,阐述了国内首台挤压式敞口盾构机机体构造及开挖工序,通过地表沉降和地中水平位移监测,研究了盾构掘进对砂层的扰动特征.结合盾构掘进参数分析,探讨了减少土体扰动的控制措施.研究表明,盾构接近测孔区阶段,土体变形规律最复杂;通过和刚脱离测孔区阶段是土层变形控制的重要环节;盾构隧道轴线两侧1.5倍洞径范围内是土体扰动主要区域.所得结论可为砂土地层敞口式盾构施工地层位移控制提供可鉴参考.

盾尾密封对盾构周边渗流场及正面稳定的影响

基于地下渗流基本方程,采用有限差分法对江底隧道盾构施工中产生的周边渗透力进行了分析,并推导了渗流条件下盾构正面稳定的判别公式.分析表明:隧道开挖后,隧道周边土层的孔隙水压力将重新分布,开挖面附近孔隙水压力等值线呈楔形体,隧道开挖面上孔隙水压力变化达到最大;而开挖面附近的总水头等值线围绕开挖面呈环形分布,渗透力的最大值出现在开挖面上及盾尾透水处.土中渗透力使隧道开挖面稳定性系数减小,但盾构压力舱内的泥水压力有利于隧道正面的稳定.分析还表明,如果盾构掘进过程中盾尾有透水现象,则整个盾构机将处于水头产生较大变化的范围之内,会导致极其严重的后果.

基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

为探究砂卵石地层中盾构开挖工作面失稳现象的机理,采用 CDEM (continuum-based discrete elementmethod)可变形块体离散元方法,建立准连续介质模型,对砂卵石土三轴压缩试验开展数值模拟,以分析其细观力学特性;基于“颗粒流动”、“土拱效应”、“超挖出土”等特点,通过平面三角块体离散元建立模拟砂卵石地层盾构开挖面超挖出土的二维动态离散元模型,研究土拱效应、空洞区发展等开挖面失稳的渐进演化机制.研究结果表明:砂卵石土三轴压缩试验宏观应力应变曲线可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、理想塑性阶段;卵石作为粗粒相颗粒存在骨架增强作用,砂卵石接触界面对宏观强度具有弱化作用;通过以土拱效应为标定准则的 HopperFlow 标定试验可有效得到不同尺度平面三角形离散单元摩擦角的转换关系;土拱效应显著存在于开挖面前方并随着开挖面超挖出土渐进发展,达到极限状态后逐渐破坏消散;空洞区始于螺旋输送机底部,随超挖出土逐步向上方和前方扩展,最终在击穿承载土拱后到达地表,形成“水滴状”空洞区;从不同角度提出了三类超挖量的控制标准.

砂土地层深埋盾构隧道开挖面稳定性分析

首先基于已有的砂土地层深埋盾构隧道开挖面稳定性研究结果,分析了隧道开挖面的失稳破坏模式。然后根据土拱形态与隧道埋深的关系,修正了Terzaghi松动土压力计算公式,将该公式引入到三维楔形体计算模型中,得到了砂土地层深埋盾构隧道开挖面极限支护力的理论计算方法。最后通过算例把该方法计算结果与模型试验和经典理论方法所得结果进行了对比。验证了本文提出的计算模型用于开挖面前方土体破坏特征分析合理,计算精度较高,同时计算过程较为简单,可满足工程需求。

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下:1)目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究;2)受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验;3)离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。

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。

砂卵石地层盾构开挖面失稳破坏模型试验研究

为了探究砂卵石地层盾构掘进过程中地表沉降规律及开挖面失稳破坏机理,以清华园隧道盾构工程为依托,利用ф280 mm模型盾构试验平台开展盾构掘进模型试验.试验结果表明:盾构掘进过程中,由于刀盘的旋转扰动,砂卵石地层横断面地表沉降槽关于隧道中心线非对称分布,且地层损失越大非对称分布越显著;另一方面,盾构开挖面失稳破坏由地中发展至地表存在滞后现象,同时刀盘的旋转方向对地表塌陷坑的位置有直接影响,塌陷坑中心位于刀盘旋转的切线垂直向上时的一侧,在实际盾构隧道工程中需要对该问题重点关注.

土-岩复合地层分类及盾构施工工程特性分析

针对土-岩复合地层的物理力学特性,结合穿越此类地层的盾构施工具体工程实例,对土-岩复合地层进行分类,分析土-岩复合地层的地质条件和盾构施工力学机理,阐述土-岩复合地层盾构施工开挖面失稳的现象和特点,为土-岩复合地层盾构施工开挖面稳定控制的研究确定对象,提供现象与工程认识。

滨海软土地层浅埋超大直径盾构隧道开挖面破坏机理及加固范围研究

为了确定软土地层中隧道加固的合理范围,保证盾构隧道在软土地层施工的安全性,以珠海横琴杧洲隧道工程为背景,开展了软土地层浅埋超大直径盾构隧道开挖面破坏机理及合理加固范围的研究。基于三维有限元分析,研究了加固范围对开挖面主、被动破坏形式及地表变形的影响。结果表明:随着加固土层厚度t的增加,地层受开挖扰动的区域逐渐缩小,地层显著位移区域由地表收缩至开挖面前方土体,破坏形式由整体破坏转为局部破坏,t=0.20D(D为隧道直径)相比t=0时地表沉降(隆起量)减少70%~80%,地表最大变形点沿纵向的位置基本一致,均在开挖面前方约0.5D处;随着t的增加,开挖面支护压力可调节范围增加,t=0.20D时相比t=0时可调节范围增加了32.5%,这使得实际施工过程更有利于维持开挖面的稳定性;结合经济及加固效果两方面考虑,实际工程进行地层加固时取加固土层厚度t=0.20D为较合理的方案。

砂土地层盾构隧道开挖面成拱临界深度分析

砂土地层盾构隧道施工过程中,合理的支护力对于开挖面的稳定性至关重要。其计算方法在深埋与浅埋工况下是有明显差异的,但是目前的研究未给出深、浅埋的明确界定。借助已有刚性截锥体破坏模式,将土压力理论的一般性与极限分析法的严格性结合,提出了适用于深、浅埋不同工况的计算方法。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对山西中部引黄工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷,为砂土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。

砂卵石地层浅埋地铁锚杆竖向预加固理论及技术研究

盾构法在隧道施工中的应用越来越普遍,其施工过程不可避免地会引起地层的移动和变形。目前,对砂卵石地层中盾构施工地层变形规律和控制方法研究较少,缺乏可供参考的研究成果。依托砂卵石地层盾构施工现场工程,采用模型计算的手段,探讨了用地表砂浆锚杆对盾构施工隧道地表进行预加固的机理与效果。结果表明,此工程技术可有效提高砂卵石地层开挖段的土体抗剪强度,抑制上部松散地层的下沉滑移;得出浅埋地层锚杆加固深度合理范围,并总结出开挖土体内摩擦角和粘聚力的提高能有效减小开挖面应力的基本规律,从而为今后盾构隧道开挖面稳定性分析提供了新的思路和方法。

南京纬三路过江通道工程技术难点分析

结合南京纬三路过江通道工程特点和地质条件,分析长距离穿越高渗透、高水压的砂卵石复合地层所面临的开挖面稳定性控制、泥浆成膜、刀盘刀具磨损严重、带压换刀等工程难题,并针对这些难题提出需要开展的高渗透性地层中泥膜的形成、盾构带压开舱方案、泥膜形成机制、高压下泥膜的稳定性和气密性等关键科研课题,为高水压和特长水下隧道的建设提供借鉴。

成都富水砂卵石地层EPB盾构出土量参数研究

出土量参数作为土压平衡盾构的主动性控制参数之一,为得到出土量参数对盾构隧道施工影响规律,解决该参数异常对盾构隧道施工的不利影响,通过大数据分析现场掘进数据,对出土量参数进行统计分析和理论推导。研究表明:盾构隧道埋深的大小对盾构掘进的出土量参数无直接影响。得出了成都盾构隧道施工的出土量参数限值的取值范围,给出体积系数α和密度系数β的取值范围,验证了通过使用正态分布统计和T估计法进行富水砂卵石地层下盾构掘进出土量参数处理的可行性。出土量参数研究成果目前只适用于富水砂卵石地层和以砂卵石为主的富水复合地层中。开挖前,运用研究结论可确定开挖区间的出土量取值范围,为实际施工提供建议和参考;开挖过程中,可预测开挖环出土量,也可反推掌子面开挖土层密度,与地勘报告进行对照,以确定实际削切土层,进而及时改变盾构掘进模式和掘进参数。