局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型研究

对于越江海或富水地区的深埋盾构隧道而言,长期使用过程中管片衬砌局部渗水的情况时有发生,但现有的松动土压力计算理论很少考虑局部渗水的影响。对此,以管片接缝渗水为背景,基于前人的研究进行了地层渗流场解析;以Terzaghi土拱效应分析模型为基础,考虑深埋盾构隧道的松动区形状特性和地层渗流效应,提出了局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：渗水接缝位置离隧道拱顶越远,隧道顶部的松动土压力越大;地表水位线越高,接缝渗水对土拱的削弱效应越强;隧道顶部的松动土压力随着接缝渗水量的增加而增加;地层渗透系数越大,隧道顶部的松动土压力越小;相较于水土合算的方式,水土分算的结果中土拱效应更强;模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了模型的有效性。     

基于修正椭球体理论的隧道松动区及松动土压力研究

隧道松动区的预测对松动土压力的计算至关重要。因此，为了精确简便地预测不同地质特性和工况下隧道极限松动区，首先从地层损失的角度对椭球体理论进行修正；然后利用自主设计的试验装置并结合PIV技术对修正后的椭球体理论进行验证；最后结合椭球体理论以及松动区内部土体主应力轴旋转对隧道松动土压力公式进行修正。研究表明：(1)随着地层损失的产生、增大，隧道上方地层流出区域和极限松动区域类似椭圆的形状并且其长短半轴均逐渐扩大；通过对比可知修正后的椭球体理论较现有理论与试验结果更加吻合。(2)修正后的松动土压力公式综合考虑了松动滑移范围及土拱效应，通过和相关文献的试验结果进行对比分析，验证了修正后松动土压力计算公式的合理性，因此该公式可用于砂性地层中隧道和管线上方的松动土压力计算。     

盾构隧道施工松动土压力计算方法研究

在盾构隧道施工中,因管片支护和注浆填充,隧道拱顶土体位移受限制,土拱效应不完全发挥,土体剪应力小于其抗剪强度,使得Terzaghi松动土压力理论不适用于盾构隧道。针对这一情况,在Handy理论基础上推导了土的侧压力系数计算公式,得出侧压力系数的变化规律,其值与主应力旋转角度相关,其大小在主动土压力系数和被动土压力系数之间变化;并认为土拱效应的发挥和隧道拱顶位移相关,据此,在Terzaghi松动土压力理论基础上推导了一种可以考虑地层损失和管片刚度的松动土压力计算公式;并通过对土拱高度的讨论,提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。     

基于颗粒椭球体理论的隧道松动土压力计算方法

基于颗粒椭球体理论认为隧道上部松动区滑动面为椭圆形,据此推导出受滑动面倾角影响的侧土压力系数计算方法;在椭圆形松动区内竖向荷载沿水平向呈梯形分布,推导出隧道松动土压力计算方法。结果表明:当埋深低于极限椭圆高度时,松动区域为地面线以下的极限椭圆区域;当埋深达到极限椭圆高度时,松动区为整个极限椭圆,松动土压力不再增加。滑动面侧土压力系数是变化的,与滑动面倾角和土的摩擦角有关,随着内摩擦角增大而减小,随着滑动面倾角增大而增大。取值范围为0.2~0.8,介于主动土压力系数和Krynine侧土压力系数之间。本模型计算结果与实测数据较为吻合,可以用于隧道设计和施工中。     

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。     

考虑土拱发挥过程的非饱和砂土盾构隧道极限支护力计算方法研究

因施工中受注浆及掘进参数影响,地层损失引起的土拱效应逐渐发挥,滑面上剪应力逐渐增大至抗剪强度,同时应考虑表观黏聚力对剪应力的贡献作用,而Terzaghi公式并不能体现这些因素。针对该问题,基于主应力偏转理论,推导了非饱和砂土不同位置的侧压力系数公式,结合表观黏聚力公式和试验数据,得到与基质吸力相关的分段形式的表观黏聚力表达式,进而推导出不同土拱效应发挥程度下的松动土压力及盾构极限支护力的计算公式。算例结果表明同一埋深下,不同饱和度土层中拱顶处松动土压力随土拱效应发挥而逐渐减小且均远小于自重应力。随着含水率的增大松动土压力存在一个阈值;不同土拱效应发挥程度下,埋深越大,不同饱和度地层拱顶处松动土压力趋向不同的定值;盾构极限支护力公式计算结果亦存在同样规律,该结论将为非饱和砂土层盾构施工过程中土仓压力的合理设置提供理论指导,保证施工安全。     

密实砂土及硬黏土中圆形隧道的竖向支护压力

 在Terzaghi理论假定的基础上,考虑圆形隧道侧压力系数及洞身范围斜向滑裂面作用,根据极限平衡法建立圆形隧道竖向支护压力的一般表达式,适用于密实砂土及硬黏土地层。该式表明圆形隧道的竖向支护压力随侧压力或侧压力系数 的增大而减小,当 时可得最小支护压力。为求解竖向支护压力,提出圆形隧道侧压力系数 的计算方法,建立支护压力与衬砌刚度、地层刚度等因素的定量关系,表明随衬砌厚度的减小或地层弹性抗力系数的增大,侧压力系数增大,而竖向支护压力减小。通过对比表明,本文方法计算值与极限分析上限法、既有试验结果较接近且偏于安全,不仅适用于浅埋隧道,也适用于深埋隧道,且本文方法比极限分析上限法显著简化。     

考虑变形与时间效应的土压力计算方法研究

根据土压力的大小随挡土墙位移变化而变化原特点,提出了考虑位移的土压力计算方法,并在此基础上推导了考虑位移的朗肯土压力理论,又根据土压力随时间的发展规律,提出了考虑时间效应的土压力计算方法,最后,提出了考虑变形和时间效应的土压力计算方法。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

贵广铁路客运专线龙围隧道围岩开挖松动区分析

合理确定隧道围岩开挖松动区对隧道设计与施工具有极为重要的意义。针对贵广铁路客运专线龙围隧道工程,在开挖无支护情况下隧道围岩应力场的弹塑性数值模拟分析基础上,利用在隧道开挖边界沿径向以围岩中的点稳定系数变化曲线的方法来分析围岩开挖松动区范围,结果显示,在拱顶及边墙两侧附近的松动范围较大,在仰拱底部松动范围很小,而在分析开挖松动区的同时,也得到了其所对应的稳定系数。同时,也采用经典的弹塑性理论分析方法计算了该隧道的围岩开挖松动区。二者对比分析表明,传统近似算法所得的松动区范围,在洞顶区域偏小,而在仰拱区域偏大。综合而言,所采用的数值分析方法是较为合理的。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

基于不完全拱效应的隧道预处理机制与计算方法

 隧道开挖中,掌子面–超前核心土的变形同样会使其周围产生拱效应,但该种拱效应不同于后方已开挖区域周围的拱效应,称之为不完全拱效应。不完全拱效应的发挥与预收敛变形和挤出变形有很大的关系,基于不完全拱效应提出了超前核心土周围围岩压力的计算公式,此公式与太沙基公式的不同在于考虑了预收敛变形对围岩压力的影响,并在黏性土的推导中考虑了非垂直滑移面效应,假定破裂面与垂直方向存在夹角 。算例分析显示,随着预收敛变形的增加拱顶土压力的变化可分为近线性快速下降、缓慢下降及稳定阶段,计算土压力随内摩擦角、埋深比及黏聚力的增大而减小,且在黏性土中随破裂面倾角的增大而增大。在此基础上,推导了计算基于新意法的超前核心土加固参数的理论计算公式,结合算例验证了理论公式的适用性,该公式计算简单,便于理解,可用于新意法的初步设计阶段。     

各向异性砂土主动土压力的离心模型试验研究

 利用新研制的土压力离心模型试验设备,通过土压力盒测量作用在挡土墙上的土压力分布,利用非接触图像测量系统(GIPS)测量土体位移,对各向异性的南京云母砂分别进行沉积面铅直和水平两个方向的土压力离心模型试验。通过对比试验得到的土压力分布与理论公式计算得到的各向同性砂土土压力分布,以及两种沉积方向的砂土的滑裂面位置,对各向异性砂土的土压力及土体变形破坏问题进行初步研究。结果表明：随着挡土墙向远离墙后填土方向运动的位移不断增大,作用在挡土墙上的土压力逐渐减小,墙后填土中各点的位移不断增大,在墙后土体中逐渐形成滑裂面。当挡土墙的位移量达到10－3H(H为试样模型高度)时,墙后填土达到主动极限平衡状态。受到片状云母颗粒排列方向的影响,沉积面铅直的土体滑裂面比沉积面水平的滑裂面略显平缓。     

黏性地层中深埋直墙拱形隧道的支护压力及稳定性

在剪切破坏理论基础上采用极限分析法对黏性地层中深埋直墙拱形隧道展开研究。首先基于加载试验提出了破裂区的理论模型,考虑隧道侧面剪切楔形体的双滑裂面作用建立了侧压力表达式,得出侧压力及竖向支护压力的近似解,并提出了隧道侧压力与竖向土压力相互作用理论。根据剪切楔形体的稳定建立无支护深埋直墙拱形隧道的稳定性定量判别条件,得出极限承载力近似解。定义了基于极限分析法的稳定安全系数,并分析深埋隧道稳定性的影响因素。研究结果表明:本文提出的破裂区理论模型、极限承载力值与试验结果接近;基于双滑裂面作用的竖向支护压力、侧压力显著小于传统理论值;在良好地层中,拱形隧道极限状态下的竖向支护压力越小则侧压力越大,侧压力或侧压力系数?越大则竖向支护压力越小;黏聚力是无支护的深埋直墙拱形隧道稳定的必要条件稳定安全系数K随黏聚力、内摩擦角的增大而增大,随隧道跨度、高度的增大而减小;黏聚力对K的影响比内摩擦角大,跨度对K的影响比高度大,而埋深越大对深埋隧道稳定安全系数的影响越小。     

Face failure in cobble-rich soil: Numerical and experimental approaches on 1 g EPB reduced scale model

Recent years have witnessed several accidents associated with tunnel face failure in cobble-rich soil in the city of Chengdu, China. Due to its lack of cohesion, cobble-rich soil can be easily disturbed by shield tunneling. Based on the general conditions of the Chengdu Metro Line 1 project, the mechanisms of face failure of tunnels in cobble-rich soil driven with earth pressure balance (EPB) machines are studied. Specifically, we present results of tests carried out using a laboratory reduced-scale model of EPB tunneling operations in cobble-rich soil. The failure kinematics and limit face pressures are presented and analyzed. Then a three-dimensional (3D) discrete-element method (DEM) model, which is able to simulate the main EPB excavation processes is employed to gain further insight into the mechanisms of face failure in cobble-rich soil. Comparisons of these results with the observations based on previous studies are discussed. The results reveal a fundamentally different tunnel-face failure mechanism in cobble-rich soil in contrast with that in clayey or sandy soils. It shows that the ground movement during face failure is sudden in cobble-rich soil, which is different from the progressive mechanism in frictional–cohesive materials. The observed sinkhole at surface takes the shape of an oval, and the failure zone behind tunnel face extends almost as far as that ahead of the face, which is different from the observations in previous studies. The failure zone is found to be wider than that of sandy soils in both the transverse and longitudinal directions.