干砂地层中盾构开挖面失稳模式及土拱效应试验研究

盾构开挖面的稳定直接关系到盾构施工的安全,而国内外关于开挖面失稳模式的大型模型试验研究却很少。利用直径1m的盾构模型,对干砂地层中盾构开挖面稳定性问题进行了研究。通过对开挖面前方土体应力状态变化的监测,从土体应力变化的角度,揭示了随着土拱的形成、发挥和发展过程,开挖面经历了局部失稳和整体失稳这样一个渐进破坏的模式。将试验结果和楔体模型计算结果进行对比,对计算模型参数的选取提出了建议。     

密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究

砂土地层中盾构掘进时,开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳事故。通过3种不同隧道埋深比（C/D=0.5,1和2）的离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性问题进行了研究。离心试验研究发现,随着开挖面位移的增大,开挖面支护力先减小为极限值而后逐渐增大并最终趋于残余值;开挖面前方土体总体呈现“楔形体+棱柱体”的失稳区;隧道相对浅埋时（如C/D=0.5）,极限状态下失稳区已扩展到地表;隧道相对深埋时（如C/D=1和2）,极限状态下失稳区尚处于地基内部;极限支护力随着隧道埋深比的增大先增加而后基本保持不变。最后,通过现有几种极限支护力理论计算模型对本文试验预测结果的比较分析,评估了上述理论方法的工程适用性。该研究成果对砂土地层中盾构开挖面稳定性控制具有指导意义。     

盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究综述

土压平衡盾构维持开挖面稳定的关键是土舱内的压力和地层水土压力平衡。为获得便于工程应用的计算极限支护力的方法,针对极限支护力的影响因素及确定进行总结。通过总结国内外学者关于开挖面稳定性分析的成果,从本构模型选择、土体失稳模式、渗流作用及极限支护力的确定展开研究。研究得出本构模型对开挖面失稳区域有影响;通过对前人研究的结果分析,证实了数值模拟方法进行隧道开挖面稳定性分析的可行性,目前数值模拟方法多用于定性的评价,需从本构模型、参数选择等维度进一步提高数值模拟结果精度。分析结果为完善开挖面稳性数值模拟提供了有益方向。     

浅覆土超大直径泥水盾构隧道开挖面稳定性研究

为研究盾构隧道采用不同支护介质时开挖面稳定性与支护力的关系,探索开挖面失稳破坏发展规律,采用ANSYS对盾构隧道三维数值模型进行了优化,并用FLAC3D分别对泥浆支护和气体支护两种工况不同支护力下开挖面的稳定性进行了数值模拟,分析了开挖面土体的应力、应变、位移速度等模拟结果。主要结论如下:随支护力减小开挖面首先产生局部破坏,采用泥浆支护时局部破坏出现在开挖面中部,而采用气体支护时则在底部区域,两种工况下开挖面整体破坏均与三维楔形体破坏模型近似;开挖面土体应力(SXX,SYY和SZZ)与支护力大小存在正相关性,其中SYY分布规律与支护力保持一致;随支护力的减小,开挖面水平最大位移与地表最大沉降量增大速度均先慢后快,地表最大沉降点在开挖面前方0. 5倍洞径处,且横向沉降槽宽度大于纵向沉降槽;土体位移速度和剪切应变增量与开挖面稳定性存在较强关联性,二者在开挖面产生整体破坏时均呈现规律性变化。     

地下水对盾构开挖面上方土拱效应影响的试验研究

针对地下水对盾构隧道开挖面上方土拱效应的影响,进行了干砂和饱和砂的对比模型试验。首先针对盾构施工过程和试验研究内容,设计了包括玻璃模型槽、隧道装置、数字照相量测装置的试验系统。之后通过试验获得了不同砂土粒径、不同埋深情况下,分别在干砂、饱和砂土层中支护力减小时开挖面上方土拱的形成过程。试验结果显示地下水的存在,减缓了土拱随开挖面位移的形成过程,在相同开挖面位移时,相对于干砂时地下水减小土拱高度的比例为10%~15%。同时,地表沉降的发展过程与开挖面上方土拱的形成过程具有对应关系,地下水的存在通过降低土拱高度从而减小了地面沉降。根据试验结果结合楔形体模型指出,需对上方棱柱体受到的侧土压力系数进行修正,由此体现地下水对开挖面上方土拱效应的影响。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1)开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2)当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3)开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

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。     

高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究

开挖面稳定是越江跨海盾构隧道工程安全的关键,尤其是高水压条件下,开挖卸荷导致开挖面稳定控制更加困难。以越江跨海盾构隧道为背景,研制了一套包含材料和设备的高水压泥水支护形式的开挖面稳定模拟试验装置,通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。研究结果表明:①高水压条件下开挖面失稳具有突发性,土体呈现由局部–整体形式急速发展破坏,极小的泥水压力变化幅度即可导致土体迅速发展为整体破坏并传至地表,失稳过程中可观测到滑移倾角减小、破坏范围扩张;②随着泥浆压力的降低,开挖面前方土压力呈现先减小后增大最终趋于稳定值,开挖面失稳可以划分为微观变形、局部破坏、土拱形成、整体失稳四个阶段;③开挖面发生主动破坏时,孔隙水压会发生突然降低现象,这是由于高应力条件下密砂具有剪胀效应,从而引起负孔压导致孔隙水压力急剧下降。这种孔压波动会对开挖面失稳带来不利影响,加速开挖面失稳进程、导致失稳区域的扩大。研究成果对越江海水下隧道工程具有指导意义。     

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 kN/m³,开挖面直径D=6 m,埋深H=10 m时的lnσ_T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。     

考虑主应力偏转和土拱效应的干砂盾构隧道掌子面极限支护力计算方法研究

深埋干砂盾构隧道在施工过程中存在显著的土拱效应,如何确定考虑土拱效应的隧道掌子面极限支护力至关重要。基于极限平衡法和楔形体理论,提出了一种多层抛物线承载拱模型。根据隧道不同埋深下掌子面失稳破坏的特征和土拱类别,将隧道状态划分为浅埋隧道、过渡隧道和深埋隧道。考虑多层抛物线承载拱区域主应力偏转角和侧向土压力系数的连续性,并假定抛物线承载拱为满足合理拱轴线三铰拱结构,推导了过渡区和深埋区多层抛物线承载拱荷载传递的计算公式,进而通过极限平衡法计算得到掌子面极限支护力。将本模型计算结果与已有理论模型、模型试验和数值结果进行对比,验证了本模型计算得到的掌子面极限支护力和失稳破坏区的合理性。最后,通过参数分析讨论了土体内摩擦角对隧道浅埋和深埋分界线以及极限支护力的影响。该研究成果可为深埋干砂盾构隧道极限支护力的预测提供理论依据。     

饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验

通过开展3组饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验,研究了不同埋深条件下开挖面支护压力不足导致的渐进失稳破坏过程。通过分析大颗粒土滑移松动—裂隙出现—裂隙闭合过程表明,开挖面破坏过程中土体存在变形滞后效应,且该效应随隧道埋深变浅而减弱。对开挖面变形进行PIV精细化图像分析,得到其破坏模式类似于楔形体加筒仓体结构,楔形体倾角约为45°+φ/2。筒仓区土体松动由于存在滞后效应,可能导致开挖面破坏表现出突发现象。为准确预测极限支护压力,将传统楔形体模型改进为宽体楔形体模型,预测结果与试验结果符合较好。     

浅埋盾构隧道开挖面失稳大比尺模型试验研究

盾构隧道施工过程中支护压力不足会引起开挖面失稳。针对浅埋盾构隧道,采用大比尺物理模型试验对盾构开挖面稳定进行研究。试验通过控制支护板移动速度来模拟开挖面失稳变形过程,并对支护压力和地表变形进行监测,发现了支护力和地表变形发展的3个阶段。与此同时,采用数码摄像技术对失稳土体实时观测,并利用颗粒图像技术对图像进行处理得到失稳土体的位移增量场。对比发现,位移增量场的变化规律与支护力和地表变形的3个阶段相对应。     

砂卵石地层浅埋盾构隧道开挖面稳定模型试验

为探究浅埋砂卵石地层对盾构开挖的响应及开挖面的稳定性规律,设计了土压平衡盾构精细模拟装置,并开展室内模型试验研究。试验分析了浅埋砂卵石地层盾构开挖面变形对地表沉降、沉降槽形态的影响,得到了开挖面的破坏模式及变形破坏细观过程,并与纯砂地层试验进行对比。研究结果表明:(1)不同空间位置土体对开挖面位移的敏感性不同,但土体的破坏规律相似;(2)随开挖面位移增大,地层沉降–开挖面位移曲线表现出不敏感阶段、缓慢线性沉降阶段、加速沉降阶段、快速线性沉降阶段等4个阶段的规律;(3)浅埋情况下土体未出现局部失稳,经历弹性变形、弹塑性破坏之后直接发展为整体失稳破坏;(4)砂卵石土沉降槽两侧在对称性上存在差异;(5)浅埋砂卵石地层中盾构开挖对侧面土体影响范围较小,对前方土体影响范围较大。     

盾构隧道开挖面稳定极限理论研究

基于村山氏极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道开挖面稳定性,推导了维持开挖面稳定的最小极限支护压力计算公式.类似于Terzaghi地基承载力的叠加原理,将极限支护压力表示为土体黏聚力、地表超载和土体重度三项贡献的叠加,并对各自影响系数进行了分析.分析结果表明,极限平衡法得到的黏聚力影响系数随土体内摩擦角增大而增大,...     

砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

土压平衡式盾构施工中,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,利用能够考虑大变形的拉格朗日有限差分计算程序,对砂土地层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究,探讨了隧道开挖面变形及破坏问题,为砂土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。