水位变化下浅埋盾构隧道开挖面渗透力与稳定性研究

为分析临江地区透水地层浅埋盾构开挖面渗流作用下的稳定性,结合安庆市沿江东路管廊盾构段典型断面,建立浅埋盾构三维流固耦合数值模型,分析水位变化、土体力学性质对开挖面稳定性影响以及渗透力的变化规律,明确浅埋盾构渗透作用下开挖面的失稳形式,建立区别于传统破坏模型的圆台-弧转体数学模型,提出一种基于极限分析上限法且考虑渗透力作用的极限支护压力的计算方法,并与已有研究结果相对比,验证该方法的可行性;根据该方法分析水位、土体力学参数、盾构掘进参数对极限支护压力的影响。研究结果表明:黏聚力及内摩擦角增加会导致破坏区高度显著减小,而水位增加会导致破坏区高度及长度显著增加;开挖面上渗透力随开挖面与拱顶的距离增大而增大,渗透力随水位变化呈线性变化,平均渗透力随水位变化率为2.75 kN·m^(-3);极限支护压力随黏聚力、水位呈线性变化,随摩擦角呈非线性变化;结合开挖面前方土层土体力学性质,极限支护压力随水位变化率为5.11~5.75 kPa,与实测土仓压力变化率6.38 kPa较吻合,控制土仓压力在80 kPa以上时能有效保证开挖面稳定。

土压盾构非满舱掘进时压缩空气与地层适应性分析

针对气压辅助工法应用越来越多工程实践,基于Geostudio Air/w建立的气-水-固耦合数值计算模型,探讨了不同盾构隧道顶部埋深、上覆闭气层厚度、地层性质以及盾构压力舱空舱高度对开挖面渗气量的影响。结果表明:分析广州地铁21号线某区间土压盾构气压辅助工法的应用案例,压缩空气渗气量控制在1.2 m^(3)·min^(-1)内,在开挖面建立稳定的支护压力,确保盾构掘进达到微扰动控制水平;闭气能力强的粉质黏土和黏土地层土压盾构掘进时,通过向压力舱注入少量压缩空气可以更好的保持开挖面支护压力的稳定;渗透系数较大、地质分布不均的砂卵石、上软下硬地层,难以进行满舱掘进时,可根据隧道埋深和上覆闭气层厚度来选择合适的空舱高度,确保压缩空气逃逸量小于产气量;土压盾构穿越渗透性地层,上覆闭气层厚度在10.0 m以上、或埋深大于28.0 m时,压缩空气逃逸量较少,也不易发生压缩空气逃逸冒顶。

富水区输水隧洞开挖过程中掌子面周边孔压演化规律及纵向范围取值对其影响研究

为探明深埋隧洞开挖过程中孔压演化规律、确定三维渗流计算模型的纵向范围取值,以监测断面为中心建立深埋长隧洞整体三维有限元模型。首先,采用隧洞一次性挖穿计算方案,研究施工开挖期孔压消散的时间历程;然后,基于隧洞掌子面推进历程,分析隧洞开挖地下水位线的降低特征与掌子面推进过程中孔压的演化规律;最后,以构建监测断面上完整的孔压演变曲线为目标,研究开挖推进过程中掌子面的前后扰动范围,并最终给出三维渗流计算模型纵向范围取值以及监测断面设置的建议。研究结果表明:1)分步开挖法比一次挖穿法更能反映出掌子面推进过程中渗透孔压的时空演化规律。2)当掌子面推进距离为22.5D(D为洞径)时,掌子面向前扰动范围基本稳定在80D;当掌子面越过监测断面推进到155D时,掌子面向后扰动范围基本稳定在72D。可以看出,构建数值分析模型时需要较大的纵向模型范围,需要将监测断面选择在掌子面的前后影响范围之外,即要求模型纵向范围不小于174.5D。

超大直径土压平衡盾构土舱压力和开挖面水土压力分布特性研究

土压平衡盾构土舱压力的设定对于控制盾构掘进对周围环境影响意义重大。结合某超大直径隧道工程,在土舱隔板和盾构掘进断面上埋设水、土压力计,对土压平衡盾构土舱内和开挖面上的水、土压力的分布和变化情况进行研究。监测结果揭示了土压平衡盾构掘进过程中土舱压力和开挖面水、土压力分布和发展特性。结合盾构施工参数进行研究,发现土舱压力增量可以通过螺旋机转速、盾构掘进速度等施工参数计算得到。开挖面上水、土压力无法完全传递至土舱隔板,土舱压力增量约为开挖面总应力增量的76.3%。研究成果为超大直径土压平衡盾构的土舱压力设定提供了有价值的参考。

泥水盾构泥膜形成时开挖面地层孔压变化规律研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构泥水舱中的泥浆必须在开挖面上形成微透水的泥膜,将部分泥浆压力转化为有效应力,泥浆压力才能平衡地层中的土压力和水压力。目前关于泥膜形成时泥浆压力的转化规律及其影响因素尚不清楚。针对这一问题,在自制的泥浆渗透装置中,以12组不同性质的泥浆开展渗透试验,通过测定泥膜形成过程中地层超静孔隙水应力的变化,并分析影响其分布的因素,明确了泥膜的作用机理。结果表明:随着泥膜的形成,泥浆压力在地层中转化为抵抗地层静水压力的孔压、超静孔隙水应力和抵抗地层土压力的有效应力;超静孔隙水应力在泥膜段迅速降低,在地层深处逐渐趋于稳定;泥浆的密度是影响地层超静孔隙水压力分布规律的主要因素之一,泥浆黏度对其影响较小。这一结果对于泥浆压力的设定和泥浆的配制有重要的指导意义。

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。

基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算

在盾构掘进过程中,由于刀盘的挤压作用,土仓压力不等于掘进面土压力。为研究二者的关系,提出基于位移反分析法的盾构掘进面土压力计算方法。建立模拟盾构掘进的ANSYS三维模型,结合盾构前方土体(或构筑物)的实测变形数据,调用ANSYS优化分析模块计算盾构掘进面土压力。该方法的适用区域为:位移监测点位于主要受掘进面土压力挤压作用区域的土体内。以上海地铁7号线上行线隧道斜下穿既有地铁2号线下行线隧道盾构施工工程为例,采用该方法对掘进面土压力进行计算分析。结果表明:该方法在本工程中的适用范围为盾构掘进刀盘距既有隧道中心线6～18m的区域;掘进面土压力约为土仓压力的1.17倍。

浅埋透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力研究

针对浅埋透水地层的泥水平衡盾构施工的隧道,建立考虑水的渗透作用下泥水盾构开挖面极限支护压力的理论分析模型。同时,基于极限分析理论,推导相应的计算公式,并结合工程实例,通过数值模拟计算分析,验证理论分析的合理性,进而讨论隧道埋深、隧道直径、土体黏聚力、内摩擦角和水深等参数对盾构开挖面极限支护压力的影响。研究结果表明:浅埋透水地层盾构隧道开挖面极限支护压力随着隧道埋深、隧道直径以及水深增大而增大;随着土体黏聚力和内摩擦角增大反而减小。

杭州深厚软黏土中某深大基坑的性状研究

介绍了杭州深厚软黏土中深度为14.85～17.35 m、采用密排连续排桩作为围护墙的大型多层支撑基坑工程监测实例。实测内容包括基坑施工过程中围护墙与土体水平位移、周围地面沉降、内支撑轴力、土压力和孔隙水压力等。研究表明:软黏土中大型基坑的水平位移明显大于狭窄基坑,基础底板施工期间基坑的"蠕变"现象明显,开挖深度、空间效应、隔断墙的设置、坑壁临近既有地下室等均是影响基坑水平位移的重要因素;坑外横向地表沉降呈抛物线型分布,沉降影响范围约为开挖深度的2.5倍,最大沉降位于坑外约0.67倍挖深处,最大沉降与最大水平位移关系约为vmax hmax 0.6,坑外纵向沉降大致呈马鞍形,沉降最大值位于基坑中部附近,纵向沉降影响范围大于基坑开挖范围;多层支撑支护结构中各层支撑的轴力随开挖和拆撑工况的变化而动态调整,第2层支撑轴力明显大于其它2层支撑;深厚软黏土中多支撑支护结构的土压力分布在支撑深度范围表现出"土拱"效应;随开挖的进行坑外土体的孔压逐渐减小,由于开挖卸荷产生了负超静孔压。

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。

开挖前降水引发基坑变形机制模型试验研究

现有基坑相关研究主要关注土方开挖过程引起的变形,认为围护结构变形起点是土方第1次开挖。然而,一些工程实测表明,基坑开挖前降水阶段即可引起围护结构及周边地层发生厘米级的变形。显然,未考虑开挖前变形的基坑监测数据将低估基坑施工的环境效应。为了研究基坑开挖前降水引发基坑变形的机制,开展了室内模型试验,对基坑开挖前降水过程进行了缩尺精细化模拟。通过微型降水井的设置与调控,模型试验真实再现了实际基坑降水过程中井流效应对围护结构受力变形的影响。试验过程中发现,随着降水的进行,坑外降水漏斗不断扩展,围护结构悬臂式侧移及坑外拱肩式地面沉降也随之产生。另外,降水导致墙前水压力明显减小,并诱发墙前侧向总压力重分布(以减小为主),围护结构为此发生指向坑内的悬臂式运动以寻求新的受力平衡,并通过墙后土体损失诱发坑外地层变形。

考虑孔隙水压力影响的深埋盾构隧道开挖面稳定性分析

对均质土体中开挖的深埋盾构隧道,基于对数螺旋破坏机制和线性Mohr-Coulomb强度准则,将孔隙水压视为作用在土体骨架上的外力,采用极限分析法推导了其开挖面支护力的表达式,依据"穷举法"原理并编制数值优化程序,求得了特定参数下盾构隧道开挖面的上限解,最后分析了支护力随各参数的响应规律。研究结果表明:孔隙水压力系数、地下水位高度、隧道洞径和土体重度的增加不利于开挖面的稳定,而黏聚力和内摩擦角的增加则对开挖面的稳定性起有利作用。该计算方法能快速获得富水风险地区稳定隧道开挖面所需的支护力和潜在破坏范围,对风险地区的盾构隧道施工与事故防治具有一定参考价值。

水位波动对临海重力式挡墙基坑稳定性的影响

近年来临海(江)建设的地下工程逐渐增多,与常规静水补给条件下的基坑工程相比,受波浪、潮汐等动水作用影响的基坑可能展现出不同的性状,对该类水力条件下基坑响应问题的研究具有重要的工程意义。依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道海域段基坑工程,采用PLAXIS软件对波浪、潮汐作用下重力式挡墙两侧的水土压力、基坑的稳定性进行了探讨分析。结果表明,对于均质砂质地基上的重力式挡墙,当基坑距防波堤一定距离时,波浪对其稳定性的影响可以忽略不计;潮汐在海床和基坑中的传播有滞后效应,当潮汐为最高潮位时,基坑并非处于最危险状态;潮汐作用下临海重力式挡墙基坑的稳定性可以通过拟静水位法近似分析。

基于密封舱压力场梯度的盾构开挖面稳定性判定

提出了一种基于密封舱压力场梯度的土压平衡盾构开挖面稳定性的判定方法。利用非均匀B样条最小二乘方法建立了密封舱压力场的分布模型,在此基础上,分析了竖直与水平方向压力梯度的变化,基于密封舱压力场梯度范数给出了开挖面的稳定域及判定方法。对于压力场梯度范数的极值,采用多级动态惩罚函数与粒子群相结合的优化算法对优化函数进行求解。最后,利用现场施工数据进行了仿真研究,对密封舱压力平衡、失衡时的压力场及等压线分布特征进行了分析,并进一步对开挖面的稳定性进行了判断,验证了判定方法的有效性。

渗流条件下基坑水-土压力不同计算方法的比较

地下水渗流一直是基坑工程研究中的难点和热点。近年来,一些学者基于自己的研究成果分别提出了渗流条件下基坑水-土压力的计算方法(统称传统方法)。另外,岩土有限元软件PLAXIS则通过渗流-应变耦合来计算渗流条件下的水-土压力。结合工程算例,比较了当前基坑工程中传统水-土压力计算方法与PLAXIS程序的计算结果,发现由于部分计算假定与实际情况不符,导致传统水-土压力计算方法存在一定误差;提出了传统水-土压力计算方法的适用条件,并指出真实的水力条件下,PLAXIS程序考虑渗流-应变耦合得到的水-土压力计算结果是合理可信的。

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。

盾构施工隧道开挖面上覆土压力的研究

以隧道上覆土压力为研究对象,对隧道上覆土压力的3种经典计算方法进行了分析,认为松动土压力理论较适合土质浅埋隧道上覆土压力的计算;确定了盾构开挖面上覆土体松动区域,推导了三维松动土压力计算公式,给出了开挖面上覆土体不同松动程度下的土压力计算方法。该计算方法为后续研究开挖面失稳奠定了一定的理论基础。

膨润土改性砂土工程性质及其在盾构施工中的应用

砂性土因黏聚力小、摩擦力大、结构松散等性质常造成诸多工程风险,在盾构施工中一般采用改良剂对砂性土进行处理,但由于对改性砂土的工程性质认识不足,仍存在刀具磨损大、压力舱堵塞、出土不畅等问题。为了研究膨润土泥浆改良富水砂层过程中土体渗透系数、抗剪强度、塌落度等指标的变化规律,对富水砂层土体开展了膨润土泥浆配合比试验、膨润土泥浆改良土体试验及掺合料增效试验,并结合典型工程应用验证了试验结果的可靠性。研究表明:(1)相同质量分数下钠基膨润土泥浆粘度和密度优于钙基膨润土,当膨润土泥浆质量分数大于11.0%时,泥浆粘度随膨化时间延长而显著增大,膨润土泥浆最优膨化时间为16~18 h;(2)土体渗透系数随泥浆注入比的增大呈非线性减小的变化趋势,土体内摩擦角、黏聚力及塌落度与泥浆注入比呈线性关系,其中改良砾砂的内摩擦角和黏聚力对泥浆注入比变化最为敏感;(3)膨润土泥浆膨化过程中掺入纤维素钠能改善泥浆性能,在砂土改良过程中掺入Q 3黄土能显著提高土体改良效果。

考虑流—固耦合效应的基坑水土压力计算

深基坑开挖基坑内外产生水位差,地下水绕过围护墙底部向基坑内渗流影响围护墙上的水土压力分布。本文总结了基坑围护墙上水土压力的计算方法,针对基坑周围土体成层分布的特点,分析了传统的水土压力分算、合算以及考虑渗流影响的水土压力分算方法。利用岩土工程有限元方法,通过渗流—应变耦合来计算渗流条件下的水土压力,结合工程算例,比较了传统水土压力计算方法与有限元方法的计算结果以及与实测土压力的差别。发现考虑固结变形的水土压力计算值与实测值能很好地吻合,而传统的水土压力计算结果与实测值偏差较大,其计算的假定条件存在误差以及没能考虑渗流和不同开挖工况的影响。考虑渗流—固结耦合的有限元方法能综合考虑不同土层和边界条件以及基坑围护墙的受力条件与变形的影响,其计算的水土压力分布是合理的。

深基坑支护结构土压力计算理论的发展述评

根据基坑支护工程的设计计算理论与工程实践的发展与动态,参阅大量相关资料,结合近年的研究成果,对支护结构土压力计算理论的创新与发展进行了分析,并对水土合算、水土分算、考虑施工过程的分步开挖、考虑渗流时的土压力计算方法进行了论述.