盾构开挖面泥水劈裂离心模型试验相似性分析及验证

土工离心试验能够在小比尺模型中还原真实的应力场,为探明盾构开挖面泥水劈裂现象提供了一种有效的研究手段。盾构泥水劈裂涉及土体、泥水、隧道等多方面因素的相互作用,尤其多种流体的存在使得模型试验中量纲分析、试验参数缩放和数据解释更加复杂化,如何确定合理的相似比例是泥水劈裂离心模型试验成功的关键前提。在阐明盾构泥水劈裂基本物理过程的基础上,提出了基于无量纲数的模型试验相似性分析方法,通过Butterfield量纲分析法建立了应用于土工离心机模拟盾构泥水劈裂的“隧道-土-泥水”系统相似性试验设计体系。该体系从尺寸、材料、无量纲数、时间等多方面保障了模型系统与原型系统的相似性,从而可以准确还原真实的盾构泥水劈裂物理过程。最后,通过开展盾构开挖面泥水劈裂离心模型试验,进一步验证本文提出的相似性准则。研究结果对泥水劈裂物理模拟的相似性分析具有一定的参考意义。

正交下穿截污管盾构开挖面被动失稳颗粒流模拟研究

目的 对砂土地层土压平衡式盾构下穿截污管施工工况进行研究,以解决由于支护压力过大导致的开挖面被动失稳问题。方法 以沈阳地铁三号线下穿截污管区段为背景,利用颗粒流程序建立数值模型,研究截污管存在下的开挖面被动失稳模式、支护压力变化以及地层应力分布。同时分析了管隧垂直净距与细观摩擦系数对极限支护压力的影响。结果 开挖面失稳模式和极限支护压力均受盾构开挖位置的影响,当开挖面位于管道前方1.0 D时,管道对失稳模式的影响最大;盾构穿越管道前,管道下部土层出现应力增大现象;极限支护压力随着管隧垂直净距、颗粒摩擦系数的增大而增大。结论 在盾构接近且未穿越截污管时,管道对开挖面被动失稳机理产生了显著影响。

近接既有隧道盾构开挖面三维稳定性分析

针对近接既有隧道条件下的盾构施工开挖面稳定性问题,采用数值模拟和三维理论分析方法进行深入研究。通过数值模拟手段获取了近接既有隧道的盾构开挖面破坏模式,据此提出了改进的三维旋转破坏理论模型。研究结果表明,近接既有隧道的盾构开挖面破坏模式主要受开挖面与既有隧道的相对水平距离(s/D)影响,当-1<s/D<0.5时,开挖面破坏模式呈截面为椭圆的对数螺旋体。提出的对数螺旋体+椭圆柱的三维破坏模型可以反映开挖面失稳扩展沿隧道纵向和横向的非均匀性,因而能够更准确地分析开挖面稳定性。参数分析表明,盾构隧道开挖面极限支护力对土体强度最为敏感,其次是隧道埋深和近接距离。在一定埋深和近接距离范围内(C/D=2.0~3.0和d/D=0.5~1.0),当土体黏聚力不变时,开挖面极限支护力随土体内摩擦角增加呈现先增后减的趋势,内摩擦角临界值约为11°~13°。

盾构开挖面极限支护力的简化计算公式

盾构开挖面极限支护力的确定是盾构法施工中一个需要解决的重要问题,基于楔形体模型对盾构开挖面极限支护力的简化计算研究,提出了极限支护力可以通过线性拟合得到。该方法将极限支护力简化为砂土内摩擦角φ的线性公式。通过对地面附加应力P0=0,砂土的重度γ=18 k N/m3,开挖面直径D=6 m,埋深H=10 m时的lnσT与φ的关系曲线的线性拟合得到该条件下的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,又通过引入砂土的重度影响系数a、盾构的开挖面直径影响系数b和埋深的影响系数c,得出了在一定范围内适用的考虑砂土的重度、盾构的开挖面直径和埋深等影响因素的盾构开挖面的极限支护力的简化计算的线性公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。

基于离散元的盾构开挖面合理支护压力

采用离散元法（DEM）对无水砂土地层（摩擦角37°）3种埋深条件下盾构隧道开挖面的颗粒流动及渐进性破坏过程进行了模拟,分析研究了开挖面极限支护压力及周围地层扰动分布的变化规律,得到：①不同埋深条件下,开挖面极限支护压力均出现在开挖面位移为0.06D（D为隧道直径）时,对应支护压力比为10%-20%,砂土强度软化现象导致最终极限支护压力增大.②支护压力比降至40%-50%为剧烈地层扰动及显著地表变形的触发点.当开挖面支护压力比降低至40%-50%时,地层扰动范围和程度对隧道埋深非常敏感,如埋深由2D降低至0.5D时,扰动范围扩大了3倍,最大扰动程度提高了1倍;地表产生明显大幅沉降.③基于极限破坏的支护压力比为10%-20%,而基于变形控制的支护压力比为40%-50%,虽明显大于前者,但支护压力仅为静止土压力的40%-50%.综合考虑盾构刀盘磨损及地层支护效果,在无水砂土地层中采用支护压力比为40%-50%是一种合理选择.

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.

富水砂层盾构开挖面支护压力与地层变形关系离心模型试验研究

为探究富水砂土地层盾构隧道开挖面支护压力与地层变形特征的关系,通过自主研发的离心模型试验系统,依托武汉地铁8号线大盾构越江隧道工程,研究了不同埋深情况下的开挖面支护压力对开挖面稳定及地层变形特征的影响,得到了开挖面支护压力与地表变形之间的关系曲线。研究结果显示:(1)当隧道埋深较浅(<1.5D,D为盾构直径)时,支护压力对地表变形的大小及扰动范围的影响均随着埋深的增加而减小;当隧道埋深较深(>1.5D)时,不管支护压力过小还是过大,开挖面支护压力对地层变形的影响很难延伸到地表。(2)当支护压力过大时,对地层的扰动呈现为鱼尾型,主要可分为挤密区、顶隆区、顶沉区以及沉降区,其中地表距离开挖面约1D范围内为沉降区,1D~2D范围内为隆起区。(3)当支护压力过小时,对地层的扰动主要为沉降,影响范围为开挖面前方1D左右,且随着埋深的减小,影响范围会增大。该研究通过离心模型试验得到了不同埋深条件下基于变形控制的支护压力设定范围的建议值,旨在为实际工程中支护压力的控制提供指导。

浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。

基于三维数值模拟的盾构开挖面稳定分析研究

基于三维数值模拟分析了由加压盾构形成的浅埋圆形隧道开挖面的稳定性。在分析中考虑了隧道面主动土体和被动土体的破坏,并且基于运动学方法的多块机制限定性分析的结果,对现行隧道开挖面极限压力的数值解与离心机模型试验得到的极限隧道压力值进行了对比。此外,还指出了多块失效机制存在的不足。

地形突变区的盾构开挖面支护压力调整方法

盾构开挖面支护压力是控制地表沉降及周边环境的关键因素之一。对于地形变化较大的施工环境,根据监测数据调整施工参数往往不能及时反映地形的变化情况,而根据覆土调整则可能导致支护压力突变。对此情况,通过经典弹性力学求解地形变化区地下应力场,以盾构下穿基坑和盾构过防汛墙这两种算例来探讨开挖面支护压力理论值的变化情况,并以此作为调整施工参数的理论依据。

基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议。首先,基于弹性力学的Mindlin解,综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用;基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式,建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式;其次,为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要,引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例,通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后,基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明:三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好;在盾构掘进过程中,地表沉降量逐步增大,盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制;顶推力过大容易使开挖面前方H/4~5H/4范围内地表出现局部隆起现象;刀盘转速的提高会加大地表沉降量,使沉降槽的非对称性更加显著;同一地层中保持单位出土量不变时,盾构推进速度会影响前方土体沿隧道掘进方向和水平侧向的位移量;开挖面前方土体与盾尾后方土体在水平侧向上具有相反的位移趋势,工程中可根据前方土体位移特性动态调整盾尾注浆量。所提三维位移解析解与耦合计算方法可为预测盾构开挖面前方土体位移提供重要参考。

强降雨影响下盾构隧道开挖面稳定性的三维对数螺旋模型上限解

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的既有成果,还较少考虑降雨环境和地下水位的影响,尤其是强降雨入渗带来的土工影响。首先,基于分层假定Green-Ampt模型来模拟强降雨入渗过程;其次,在土体抗剪强度理论和有效应力理论的基础上,将修正后的Mohr-Coulomb准则和Darcy定律结合,推导出与降雨强度和降雨历时相关的分段形式表观黏聚力表达式;然后,基于极限分析上限理论构建三维对数螺旋破坏机制,将表观黏聚力做功引入上限定理的虚功率方程,通过优化计算,得到考虑强降雨入渗和地下水位条件下盾构隧道开挖面支护力的上限解。最后,将上限解析解与三维数值模拟结果及既有试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对降雨强度和地下水位深度等关键参数进行了影响因素分析。结果表明:当降雨强度较小时(F/ks≤1,F为平均降雨强度,ks为饱和渗透系数),隧道开挖面极限支护力随降雨强度的增大而加速增大,随降雨历时的变化不明显,当降雨强度较大时(F/ks>1),极限支护力随降雨强度的增大而缓慢增大,随降雨历时的增加而显著增大;当地下水位深度较小时(Z_(w)/D≤3,Z_(w)为地下水位深度,D为开挖直径),极限支护力随地下水位深度的增加线性减小,当地下水位深度较大时(Z_(w)/D>3),其变化速率逐渐减小,最后趋于平稳。

盾构开挖面楔形体支护压力模型分析及改进

为了维持砂土地层盾构隧道开挖面的稳定性,以楔形体模型2种常用的面积等效方法为出发点,对开挖面支护压力计算公式进行推导,同时结合现有楔形体模型与Takano 1g模型试验结果从砂土盾构开挖面破坏区外形的角度改进楔形体计算模型,在考虑松动土压力的情况下提出盾构开挖面主动极限支护压力的计算公式并简化。将Chambon离心模型试验结果与楔形体支护压力计算结果进行对比,并依托西安盾构隧道工程土舱压力监测数据对新公式进行工程应用分析。研究结果表明:采用第1种面积等效方法时的楔形体模型计算结果更为精确,不同模型计算结果出现差异的主要原因来自于楔形体竖直侧面摩擦力的影响,同时提出1.5倍所提简化公式的计算值作为上部土舱压力设定的建议值。

超前预加固对富水砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性的影响

盾构隧道开挖面不稳将会引起地面塌陷,尽管采用诸如地表注浆加固能够保证盾构掘进,但施工工序烦琐、材料浪费严重、掘进效率低下,为了稳定盾构隧道开挖面、提高掘进效率,研究了超前预加固对富水砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性的影响。结果表明:采用玻璃纤维注浆锚杆预加固开挖面前方围岩,能明显提高开挖面前方围岩强度,增强盾构隧道开挖面稳定性。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。

各向异性地基中盾构隧道开挖面稳定性分析

将盾构开挖面卸荷引起的主应力轴旋转考虑到"楔形体-棱柱体"极限平衡模型中,基于Casagrande各向异性强度公式,推导得到各向异性地基中盾构开挖面极限支护压力的极限平衡解,最后结合算例分析了各计算参数对极限支护压力的影响。算例分析表明:盾构开挖面极限支护压力随各向异性比的增大而线性减小,在各向异性比小于1时,若不考虑土体强度的各向异性会偏于不安全;在各向异性比大于1时,盾构开挖面极限支护压力随埋深比的增大而先减小后稳定,在各向异性比小于1时,规律则相反,且土体强度各向异性越明显,其变化的幅度越大;盾构开挖面极限支护压力随土体黏聚力的增大而线性减小,随土体内摩擦角的增大而非线性减小。

灰岩与砂土复合地层盾构隧道施工开挖面稳定性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对灰岩-砂土复合地层地铁隧道盾构施工的开挖面在渗流作用下的稳定性进行分析,探讨了2种复合地层模式下不同埋深和渗流系数对隧道开挖面变形的影响。研究结果表明:(1)当地层上层为灰岩,下层为砂土时,隧道开挖面变形主要集中于砂土层,埋深和支护力比越大,开挖面的水平位移越小;埋深10、20和30 m下对应的临界支护力比λ为0.4、0.3和0.1;不同渗透系数下,隧道开挖面均在支护力比λ≤0.3时出现变形突变,且随渗透系数增加,水平位移量也随之增加,并在开挖面下部3 m左右出现最大水平位移。(2)当地层上层为砂土,下层为灰岩时,隧道开挖面变形也主要集中于砂土地层,埋深10、20和30 m下对应的临界支护力比λ为0.4、0.3和0.2;不同渗透系数下,当支护力比λ≤0.2时,在开挖面中心上部1~2 m出现最大水平位移。

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。

水位波动条件下盾构极限支护压力半解析研究

为研究潮汐作用对盾构隧道开挖的影响,采用有限元软件COMSOL建立三维数值模型,得到水位波动条件下盾构隧道开挖面前的渗流场变化规律,发现粉土地基中的渗流存在幅值衰减与相位滞后现象.将计算所得渗透力应用到"楔形体—棱柱体"极限平衡模型中,计算并分析开挖面极限支护压力在水位波动条件下的变化特征,发现极限支护压力的波动与隧道埋深比、土层性质、边界水位波动等因素相关.随着隧道埋深比的增大和波动周期的减小,极限支护力的幅值衰减与相位滞后更为显著.潮汐作用下的极限支护压力最大值比最高潮位稳态渗流情况要小,支护力的最大值与最高潮位出现的时间不一致.

泥水加压平衡盾构

定义泥水加压盾构法施工,指在盾构开挖面的密封隔仓内注入泥水,通过泥水加压和外部压力平衡,以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土进入盾构前部的泥水室,经搅拌装置进行搅拌,搅拌后的高浓度泥水用泥水泵送到地面,泥水在地面经过分离,然后进入地下盾构的泥水室,不断地排渣净化使用。

楔形体模型的简化计算方法

目前用于求解盾构开挖面极限支护力的理论计算公式参数都较多且计算较为繁琐。文章基于目前使用较为普遍的楔形体理论计算模型对极限支护力的简化计算方法进行了研究。研究发现:当砂土的内摩擦角在20°~70°范围内时,其计算值的对数Inσ_T与砂土的内摩擦角ψ近似呈线性关系;而且在不考虑地面附加应力的影响下,当砂土的重度、盾构开挖面直径和盾构埋深不同时,lnσ_T与ψ的关系曲线近似平行。文章通过线性拟合的方法,在一定范围内通过引入砂土重度影响系数a、盾构开挖面直径影响系数6和埋深影响系数c得到了考虑砂土重度、盾构开挖面直径和埋深等因素影响的盾构开挖面极限支护力的简化计算公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。