Dynamic collapse characteristics of the tunnel face induced by the shutdown of earth pressure balance shields(EPB):A 3D material point method study

The collapse of the tunnel face is a prevalent geological disaster in tunnelling.This study employs a three-dimensional(3D)material point method(MPM)to simulate the dynamic collapse process and post-failure mechanisms of the tunnel face.The specific focus is on the scenario where the auxiliary air pressure balanced shield with a partially filled chamber is shut down.To assess the suitability of the 3D MPM,numerical solutions are compared with the results from small-scale experimental tests.Subsequently,a series of large-scale numerical simulations is conducted to explore the dynamic collapse characteristics of the tunnel face induced by the shutdown of the EPB shield under various support air pressures and cutter head conditions.The temporal evolution of the accumulated soil masses in the soil chamber and ground responses under different support air pressures,cutter head types and opening ratios are discussed.In particular,the associated surface subsidence due to the tunnel face collapse is determined and compared with empirical solutions.Numerical results confirm the applicability of the 3D MPM for simulating the large-scale tunnel face collapse scenarios,spanning from small to large deformation analysis.

地铁盾构泥浆制备同步注浆材料的性能研究

基于某地铁盾构施工产生的盾构泥浆再利用问题,采用盾构泥浆全替代砂,同时掺入减水剂、早强剂、微硅粉、纤维等材料设计并制备了同步注浆材料,采用正交试验法研究了减水剂掺量(1.0%~2.5%)、早强剂掺量(3%~6%)、微硅粉掺量(10%~25%)对同步注浆材料稠度和抗压强度的影响。结果表明:经优化调整得到的同步注浆材料的最佳配合比为盾构泥浆2000 g、水泥500 g、聚丙烯纤维1 g、减水剂5 g、早强剂25 g、微硅粉125 g、水987.2 g,此时,同步注浆材料的稠度、抗压强度等指标均满足工程要求。

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.

城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制

基于国内城市隧道施工过程中地面塌陷事故频发的现状,结合地面塌陷事故案例,对城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制技术进行了研究。通过对北京地铁隧道施工诱发的44起安全事故统计发现:地面塌陷事故共16起,占全部事故的36%,所占比例较高;通过对国内城市隧道施工引起的29起地面塌陷事故统计发现:管线渗漏和不良地质体是诱发地面塌陷的主要因素,两者诱发的事故合计比例高达69%,因此也是地面塌陷防控的关键性因素。根据案例统计分析结果,将地面塌陷的形成方式划分为3种类型,分别为:隧道施工直接导致上覆地层失稳破坏形成的地面塌陷,隧道施工导致地层中不良地质体破坏而形成的地面塌陷,以及隧道施工导致管线渗漏水恶化而引发的地面塌陷。采用理论分析和数值模拟揭示了城市隧道施工诱发地面塌陷的灾变机制及其演化规律,在此基础上提出了城市隧道施工过程中地面塌陷的控制技术。

北京地铁浅埋暗挖区间隧道塌陷机理

结合北京典型地质条件和区间隧道的断面形式，将城市浅埋暗挖隧道分为超浅埋隧道和浅埋隧道两种，对于超浅埋隧道，隧道的破坏形式主要是整体下沉和塌陷，隧道的破裂角接近80°；对于浅埋隧道，破坏形式以滑裂破坏为主，规范给出的滑裂角为45°φ／2，但通过对北京地铁事故的调查研究发现，隧道滑裂角大于45°＋φ／2，因此应用土力学原理和Mohr—Coulomb破坏准则推导出新的地层滑裂角．结果表明，浅埋隧道的破裂角与隧道的覆跨比、矢跨比有关，且比45°＋φ／2大10°～15°．运用FLAC3D软件计算分析隧道破坏时塑性区分布情况和破坏过程，并与实际工程监测数据对比，发现新的滑裂角更接近实际工程的破坏情况．

长江一级阶地隧道盾构施工岩溶塌陷防治措施研究

针对地铁隧道穿越长江一级阶地岩溶富集区存在的岩溶地面塌陷风险,开展了岩溶塌陷机理和地铁隧道施工防塌陷措施研究。通过构建长江一级阶地典型地层结构下的岩溶塌陷物理模型,完整再现了“渗流液化-流土漏失”岩溶塌陷过程,验证了长江一级阶地典型岩溶地质岩溶地面塌陷机理,得知塌陷沙漏的塌陷坡角为40°。依据物理模型所获得的塌陷特征,设计提出了“隧道外侧隔离桩及桩下帷幕注浆,隧道区内满铺岩溶注浆”的岩溶处理及防塌陷方案,并通过地下水渗流模拟初步验证了方案的有效性。研究成果可为同类岩溶地质条件下地铁盾构隧洞工程设计施工提供借鉴。

强透水砂卵石地层泥水盾构掌子面塌方处理措施研究

强透水砂卵石地层具有透水性强、黏结性差等特点,盾构隧道下穿强透水砂卵石软弱地层易出现掌子面失稳、塌方等问题,对施工效率和安全造成很大影响,掌子面失稳塌方后采取正确处理措施可以有效降低施工风险,避免塌方进一步扩大。结合兰州地铁1号线工程实例,介绍了强透水砂卵石地层盾构施工过程中掌子面塌方处理措施及后续掘进过程中防止进一步塌方的预防措施,经实践验证取得了良好的效果。

强透水砂卵石地层泥水盾构掌子面塌方处理措施研究

强透水砂卵石地层具有透水性强、黏结性差等特点,盾构隧道下穿强透水砂卵石软弱地层易出现掌子面失稳、塌方等问题,对施工效率和安全造成很大影响,掌子面失稳塌方后采取正确处理措施可以有效降低施工风险,避免塌方进一步扩大。结合兰州地铁一号线工程实例,介绍了强透水砂卵石地层盾构施工过程中掌子面塌方处理措施及后续掘进过程中防止进一步塌方的预防措施。经实践验证一系列措施的实施取得了良好的效果。

基于RBF神经网络的地铁隧道施工坍塌事故应急车辆需求预测

现有生产安全事故应急救援体系未能充分利用历史经验辅助应急决策,并多为资源总体上的预测和调度。为高效、准确地应对地铁隧道施工坍塌事故,制定应急救援方案,提高应急救援效率,以确定应急车辆需求量为例,提出一种基于RBF神经网络的应急车辆需求预测模型。在确定预测指标的基础上,整理分析历史事故案例并提取关键指标值,通过训练确定扩展速度及隐含层神经元个数,分别构建以坍塌位置、次(衍)生事故、坍塌面积和被困人数为输入,救护车及消防车需求量为输出的RBF神经网络预测模型。在预测结果的基础上,确定所需应急车辆类型及数量,推算医护人员和消防人员的配备数量,并结合事故实际特征对预测结果进行修正。以某实际地铁隧道施工坍塌事故数据进行案例分析,预测该事故所需的应急车辆、相关人员及设备等应急资源的需求量,并将其与实际数据对比分析,验证了预测模型的可行性和有效性。该预测模型可为地铁隧道施工坍塌事故应急救援方案的制定提供新的思路和方法。

盾构隧道穿越软塑红粘土覆盖型岩溶区的处理方法

文章分析了岩溶上覆地层塌陷机理以及软塑红粘土层及硬塑红粘土层中盾构隧道的施工风险,并制定了相应的处理措施。结果表明:隧道位于软塑红粘土层时,降水破坏了土-裂隙水-溶洞之间的平衡状态,导致红粘土流入溶洞,隧道会随着软塑红粘土的下沉而下沉;当隧道位于硬塑红粘土层中时,下面的软塑红粘土流入溶洞后,由于可塑红粘土的抗剪强度和粘聚力均较低,软塑土层塌陷,会在可塑土层和硬塑土层之间形成土洞,最终也会导致隧道下沉;当灰岩岩面倾斜度较大时,会扩大红粘土的沉降范围。通过填充高风险范围内的溶洞、对软塑红粘土层进行加固以及在岩面倾斜过大的地方增设抗滑桩等措施可防范上述工程风险。

基于事故案例的盾构隧道连续性破坏过程分析

我国当前正处于轨道交通建设的高速发展期,但是在高速发展的同时,盾构隧道施工的过程中却频频出现衬砌结构受损甚至倒塌的事故。现有针对盾构隧道事故的研究往往着眼于事故的抢险以及事故后修复的工作上,针对盾构隧道结构本身在事故过程中表现出的破坏机理和相应有效处理措施的研究相对较少,不利于城市轨道交通建设的高质量发展。为了明确盾构隧道在出现连续性破坏时衬砌结构的破坏过程,文章通过搜集大量盾构隧道出现结构损伤甚至连续性破坏的事故案例进行了综合性的分析。首先定义盾构隧道连续性破坏以及事故类型。进一步通过整理具有相近地层条件、相同结构形式、相似初始破坏原因的隧道事故案例,综合分析并给出盾构隧道连续性破坏的过程为:第一阶段:初始破坏→第二阶段:环间破坏→第三阶段:环内破坏→第四阶段:隧道倒塌。最后针对该破坏过程中隧道结构与周边水土的相互作用进行了讨论,以期为城市轨道交通特别是地铁工程安全建设提供参考,为下一阶段深化研究提供基础。

西安地铁“先隧后井”法横通道施工控制技术研究

以西安砂卵石和黄土地层中地铁施工为依托,采用数值分析方法和原位监测等手段,针对"先隧后井"法横通道施工期间横通道的开挖方法、地层和既有盾构管片的预加固方案,进行优化分析和评价。结果表明,(1)增加风井横通道的开挖层数会引起地表沉降增大和施工作业空间不足问题,建议采用4层台阶、预留核心土法开挖,上、下台阶长度不宜超过3m;(2)风井横通道外侧砂卵石、黄土地层的注浆厚度不低于2.0 m,加固后地层弹性模量应提高至少0.2倍以上,应配合超前小导管和大管棚超前预支护措施,可以增强横通道开挖期间地层的稳定性和临近盾构管片的安全性;(3)既有管盾构片破除前应放松横通道两侧4~6环管片的联结螺栓,降低横通道开挖引起的盾构管片纵向挤压应力集中效应;(4)横通道垂直穿过既有盾构管片时应采取静力破除法,从上至下垂直分块拆除管片,再进行横通道与盾构区间隧道接口部位混凝土浇筑和钢筋植入施工,并针对接口范围内地层进行WSS注浆加固,进行接头防渗处理。

地铁隧道施工风险机理分析

为预防地铁隧道施工风险事件的发生,需对风险机理进行系统研究。根据风险的发生过程将风险机理分为产生、发展及演化3个阶段。把耗散结构理论引入到地铁隧道施工塌方风险机理的研究中,并论证其适用性,从3个阶段对塌方风险的形成过程进行分析,对塌方风险的耗散结构形成条件进行论证。分析表明:从开挖到岩体变形可视为风险产生阶段,此时平衡态被打破。从塑性变形到变形率急剧增大视为风险发展阶段,经历近平衡态、较远平衡态及远离平衡态;从一个风险事件到多个风险事件陆续发生视为风险演化阶段,此时一个甚至多个事件耗散结构形成。

软土地层盾构隧道结构整体抬升实践

软土地层盾构施工易沉降过大导致轴线偏差,出现调坡困难,甚至影响后期列车运行速度,注浆抬升是轴线偏差治理的一种方法。宁波轨道交通某区间在施工过程中因对地层变化理解不彻底,导致沉降过大,调坡困难,为了不造成结构破坏,不影响工程工期,使隧道线型得到改善,对隧道结构整体抬升进行了实践。通过对地质情况分析,结构验算,注浆工艺研究,提出了下部注浆,内部支撑,实时监控,即时调整的思路,在注浆过程及时调整浆液。经过精细化管理,该区间最大稳定抬升量达3 cm。工程实践表明,注浆工艺和内部支撑对抬升阶段通用环管片结构安全起到重要作用,浆液的选择对后期稳定非常重要。该工程探索了软土地层盾构隧道不均匀沉降治理、控制措施,可为其他盾构隧道沉降治理提供参考和抬升设计提供依据。

考虑地层蠕变特性的盾构隧道施工对邻近桥桩影响和保护措施

为探讨地层蠕变特性盾构隧道施工对邻近桥桩变形影响,基于Burgers模型建立本构数值模型,并采用FLAC3D软件进行计算。结果表明:盾构隧道贯通后,邻近桥梁承台基础变形持续增加,变形趋于稳定至少需要1 a时间,且累计变形值将超过桥梁桩基础允许变形值;提出隔离桩和盾构隧道周围地层注浆加固2种保护措施。研究结果可为评估盾构隧道施工对邻近桥桩影响程度和制定邻近桥桩保护措施提供参考。

盾构隧道结构坍塌机制分析及预防措施

为有效探明盾构隧道坍塌机制,防止重大事故发生,提出了隧道结构坍塌破坏的定量分析方法。针对佛山2018年2月7日盾构工程施工坍塌事故,利用该方法确定了隧道结构坍塌范围,利用数值模拟手段揭示了地层掏空及隧道坍塌形成机制,通过与现场情况对比,验证了分析方法的有效性。结果表明:在高压富水地层,盾尾透水会掏空或松动隧道围岩,降低衬砌结构稳定性;隧道在结构破坏前先发生材料的局部破坏,最终当隧道两侧失去地层约束,承受上部全覆土压力时,发生变形、开裂、刚度降低,最终导致隧道结构坍塌。最后,针对富水地层等不良地质条件区域,从勘察设计、结构设计、施工技术、防堵水技术、避难逃生等方面提出了措施建议,为盾构隧道安全施工提供参考。

地铁盾构隧道中塌方事故发生的机理与因素

针对近年来地铁工程建设中塌方事故频发的情况,对地铁施工中的塌方进行了分类,并总结了塌方事故的特征,分析了地铁盾构隧道工程塌方事故发生的机理及相关因素,以期指导地铁盾构隧道工程建设。

地铁工程大直径土压式平衡盾构机力学计算及机械选型研究

针对砂层中细颗粒含量较少、难以形成止水效应、层中存在承压水、有涌水风险等多种施工风险,从改良、保压、排渣、清渣4个方面全流程考虑,盾构具有合理的刀盘设计及渣土改良能力;加强刀具配置和刀盘、螺旋机的结构耐磨;要求盾构机必须具有较强的平衡水土压力的能力,以保证地表变形保持在正常范围内。对土压平衡式盾构机的选型优化,可明显降低后期施工过程中的风险,有效避免事故的发生,对类似施工方案有较大的借鉴意义和推广应用价值。

地铁工程冻结法施工常见事故原因分析

结合冻结法自身的特殊性,对冻结法在地铁工程应用中的冻结孔钻孔时水土喷涌、隧道管片损坏、冻土帷幕失效以及冻胀融沉等各种事故的原因进行了分析,为事故的防范和治理提供了方向。

盾构隧道管片受力与变形研究

文章结合上海地铁M9线工程实例,借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析。结果表明:管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位置、封顶块的位置有关。对通、错缝拼装隧道衬砌使用阶段的受力及变形进行了对比分析,得出了一些有益的结论,为设计施工提供参考。