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。

基于Pasternak地基的盾构隧道开挖非连续地下管线的挠曲

盾构隧道开挖引起地下管线挠曲的准确预估对于其损伤评估与防护控制至关重要。引入Pasternak地基模型,采用有限差分方法推导了盾构隧道开挖地层损失下带接头管线的挠曲解答。经与离心机模型试验结果及连续弹性解对比,验证了该理论解答的适用性及其在运算效率方面的优势,并给出了地基剪切刚度的取值建议。参数分析发现,接头刚度会对管线挠曲产生显著影响,随接头刚度的增大,管线最大挠度降低,挠曲线形态趋近于连续管线;此外,接头数量及其分布也会对管线挠曲产生影响,其影响程度随接头数量的增大而削弱。

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。

基于间隙参数模型的盾构隧道周围土体位移分析

基于一种盾构加载模型并引进间隙参数的概念,对盾构隧道周围土体位移的机理及预测方法进行了总结。盾构相对于设计轴线的偏移是影响土体变形的主要原因之一。确定间隙参数是应用解析方法的关键步骤,提出了一个半经验、半解析方法,并针对一个工程实例把现场测量值和理论计算值进行了对比分析。

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。

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。

既有成型盾构隧道上方基坑开挖关键技术

既有成型盾构隧道上方基坑开挖前必须将所有配重落实到位,并合理优化抗浮设计,采用分段配种或者其他措施减少整体配重量,让配重量更具备可实施性,为防止差异变形,需整体加强隧道刚度,提高隧道抗变形能力。可以在影响范围内管片设置门架+钢环支撑,钢环分散管片作用力到门架,门架间刚性连接,达到抗浮及防止差异变形的效果。基坑开挖影响区域地铁隧道可以采用钢管片,开挖前完成钢管片空腔混凝土回填。可以有效增加自身重量及刚度,有效避免上浮及抗变形开裂等问题基坑开挖到底后,及时组织资源,尽快完成压板施工,减少基坑暴露时间,及时限制管片上浮发展。