富水砂層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的

首先基于已有的砂土地層深埋盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性研究結(jié)果,分析了隧道開挖面的失穩(wěn)破壞模式。然后根據(jù)土拱形態(tài)與隧道埋深的關(guān)系,修正了terzaghi松動土壓力計(jì)算公式,將該公式引入到三維楔形體計(jì)算模型中,得到了砂土地層深埋盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力的理論計(jì)算方法。最后通過算例把該方法計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)和經(jīng)典理論方法所得結(jié)果進(jìn)行了對比。驗(yàn)證了本文提出的計(jì)算模型用于開挖面前方土體破壞特征分析合理,計(jì)算精度較高,同時計(jì)算過程較為簡單,可滿足工程需求。

盾構(gòu)隧道開挖面不穩(wěn)將會引起地面塌陷,盡管采用諸如地表注漿加固能夠保證盾構(gòu)掘進(jìn),但施工工序煩瑣、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、掘進(jìn)效率低下,為了穩(wěn)定盾構(gòu)隧道開挖面、提高掘進(jìn)效率,研究了超前預(yù)加固對富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:采用玻璃纖維注漿錨桿預(yù)加固開挖面前方圍巖,能明顯提高開挖面前方圍巖強(qiáng)度,增強(qiáng)盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性。研究成果具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

考慮滲流的多層土盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性分析——將傳統(tǒng)模式的均勻土層穩(wěn)定性分析的楔形體模型擴(kuò)展到滲流作用下多層土盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性分析中，楔形體是由梯形組成的，每一個梯形對應(yīng)一層土層，利用太沙基有效松動土壓力理論和上限定理，推導(dǎo)了滲流作用下盾...

將傳統(tǒng)模式的均勻土層穩(wěn)定性分析的楔形體模型擴(kuò)展到滲流作用下多層土盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性分析中,楔形體是由梯形組成的,每一個梯形對應(yīng)一層土層,利用太沙基有效松動土壓力理論和上限定理,推導(dǎo)了滲流作用下盾構(gòu)穿越多層土的隧道開挖面極限支護(hù)壓力的計(jì)算公式。極限支護(hù)壓力等于作用于開挖面有效支護(hù)壓力和滲透力的總和,其中有效支護(hù)壓力用極限平衡來計(jì)算,滲流力采用水頭分布的數(shù)值方法計(jì)算獲得的。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),滲透力構(gòu)成了總支護(hù)壓力的主要部分,分析結(jié)果和工程實(shí)測數(shù)據(jù)是一致的。

利用flac3d建立三維數(shù)值模型,對考慮完全流-固耦合效應(yīng)的盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬和驗(yàn)證,并進(jìn)一步分析水位高度、滲流時間對開挖面變形、地表沉降和孔隙水壓力的影響。研究表明:開挖面變形隨支護(hù)壓力比的減小經(jīng)歷3個階段的變化,且與土體塑性區(qū)的發(fā)展密切相關(guān);相比于無水狀態(tài),考慮流-固耦合效應(yīng)的開挖面穩(wěn)定性顯著降低,隨水位的升高、滲流時間的增大,開挖面發(fā)生失穩(wěn)破壞的支護(hù)壓力比明顯增大;支護(hù)壓力比(表征支護(hù)壓力)的減小將導(dǎo)致開挖面前方一定范圍的孔隙水壓力減小,靠近開挖面的孔隙水壓力受擾動程度加劇,形成\"漏斗狀\"的影響區(qū);開挖面失穩(wěn)導(dǎo)致土體位移場延伸至地表,引起地表產(chǎn)生明顯的沉降變形,在不同的變形階段開挖面中心點(diǎn)位移與最大地表沉降分別呈拋物線相關(guān)和線性相關(guān)。

針對軟黏土地層中隧道開挖面穩(wěn)定性開展離心模型試驗(yàn),由遠(yuǎn)程控制模型推進(jìn)模擬隧道開挖面被動漸進(jìn)破壞。通過數(shù)字圖像處理分析技術(shù)對開挖面被動漸進(jìn)破壞模式進(jìn)行了探究,結(jié)合相應(yīng)數(shù)值模型對比,分析了開挖面極限支護(hù)壓力以及地表變形規(guī)律。研究結(jié)果表明:在開挖面被動破壞狀態(tài)下,隧道仰拱處首先出現(xiàn)與水平方向近似成45°+φ/2向上發(fā)展的滑動破裂帶,當(dāng)其發(fā)展接近隧道拱頂時,拱頂滑動破裂帶形成,兩滑動破裂帶呈漏斗狀向上逐步發(fā)展至地表；隨著模型向前推進(jìn),開挖面壓力前期呈現(xiàn)線性快速增長趨勢,隨后土壓力增速逐步減小,開挖面壓力值最終趨于穩(wěn)定,分析確定軟黏土地層開挖面被動破壞狀態(tài)下的支護(hù)壓力可控制在1～1.9倍的靜止土壓力；開挖面被動破壞會引起前方地表產(chǎn)生隆起。

將盾構(gòu)開挖面卸荷引起的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)考慮到\"楔形體-棱柱體\"極限平衡模型中,基于casagrande各向異性強(qiáng)度公式,推導(dǎo)得到各向異性地基中盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力的極限平衡解,最后結(jié)合算例分析了各計(jì)算參數(shù)對極限支護(hù)壓力的影響。算例分析表明:盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力隨各向異性比的增大而線性減小,在各向異性比小于1時,若不考慮土體強(qiáng)度的各向異性會偏于不安全；在各向異性比大于1時,盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力隨埋深比的增大而先減小后穩(wěn)定,在各向異性比小于1時,規(guī)律則相反,且土體強(qiáng)度各向異性越明顯,其變化的幅度越大；盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力隨土體黏聚力的增大而線性減小,隨土體內(nèi)摩擦角的增大而非線性減小。

盾構(gòu)隧道穿越溶洞密布的復(fù)雜環(huán)境時,不可避免的引起巖溶開挖區(qū)應(yīng)力場突變,嚴(yán)重時造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程災(zāi)害.采用有限元模擬方法,基于巖層破壞機(jī)理,分別針對溶洞數(shù)量不同及排列方式不同這兩種重要因素,從隧道開挖引起的位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)域三個方面分析巖溶隧道開挖所引起的圍巖變化規(guī)律.結(jié)果表明:溶洞的存在使得隧道圍巖最大主應(yīng)力顯著提高,圍巖豎向位移隨溶洞個數(shù)增加而增大,圍巖周圍土體的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)域均隨著洞-隧之間不同的排列方式而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.分析結(jié)果可為巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營提供理論及工程指導(dǎo).

盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定的可靠度研究——目前，盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性評價方法均是確定性方法。為了考慮上體參數(shù)的變異性，提出用可靠方法來評價其穩(wěn)定程度。采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道開挖面極限支護(hù)壓力。基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測大量給定地層參數(shù)工況下的開挖面極限...

基于塑性力學(xué)極限分析上限法,通過空間離散技術(shù),建立圓形盾構(gòu)隧道穿越分層地層時開挖面失穩(wěn)的三維破壞機(jī)構(gòu),推導(dǎo)盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力的計(jì)算方法,獲得最優(yōu)上限解。針對單一地層,將極限支護(hù)壓力計(jì)算方法與前人提出的3種多塊體模型計(jì)算方法進(jìn)行對比,分析黏聚力、內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)差異對極限支護(hù)壓力的影響,同時驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性。針對2種地質(zhì)強(qiáng)度差異較大地層,將此方法和數(shù)值模擬計(jì)算的極限支護(hù)壓力進(jìn)行對比,研究地層差異性對極限支護(hù)壓力的影響,發(fā)現(xiàn)2種方法計(jì)算結(jié)果吻合度較高。研究表明:極限支護(hù)壓力隨上部軟弱地層在開挖斷面豎直方向上的厚度占開挖斷面總高度的比例增大而增大,并隨地層內(nèi)摩擦角、黏聚力差異的增大而增大。

**資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.***

收稿日期:2004-09-02 作者簡介:秦建設(shè)(1973-),山西夏縣人,博士生,主要從事隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究。 文章編號:1003-5923(2005)01-0027-04 盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬研究 秦建設(shè)1,尤愛菊2 (1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098;　2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘　要:盾構(gòu)隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格 朗日有限差分計(jì)算程序,對砂土地層盾構(gòu)施工中的開挖面穩(wěn)定問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗(yàn)研究 結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢,為盾構(gòu)隧 道施工中開挖面穩(wěn)定問題研究提供建議。 關(guān)鍵詞:盾構(gòu)施工;開挖面穩(wěn)定;離心試驗(yàn)

通過對照物理模型試驗(yàn)，采用二維顆粒流程序（pfc2d）對不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機(jī)理。首先通過研究支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別確定了極限支護(hù)力；利用二維顆粒流程序?qū)ν凉靶?yīng)進(jìn)行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理。結(jié)果表明，支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發(fā)生局部失穩(wěn)破壞后，土拱繼續(xù)向上發(fā)展最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞；埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區(qū)與土拱區(qū)隨埋深比的增大而增大。數(shù)值模擬結(jié)果與模型箱試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了采用縱面進(jìn)行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進(jìn)行深入顆粒流模擬。

通過對照物理模型試驗(yàn)，采用二維顆粒流程序（pfc2d)對不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機(jī)理.首先通過研究支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別確定了極限支護(hù)力；利用二維顆粒流程序?qū)ν凉靶?yīng)進(jìn)行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理.結(jié)果表明，支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發(fā)生局部失穩(wěn)破壞后，土拱繼續(xù)向上發(fā)展最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞;埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區(qū)與土拱區(qū)隨埋深比的增大而增大.數(shù)值模擬結(jié)果與模型箱試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了采用縱面進(jìn)行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進(jìn)行深入顆粒流模擬.

盾構(gòu)隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格朗日有限差分計(jì)算程序,對砂土地層盾構(gòu)施工中的開挖面穩(wěn)定問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢,為盾構(gòu)隧道施工中開挖面穩(wěn)定問題研究提供建議。

文章以某在建隧道下穿既有運(yùn)營地鐵隧道成渝客專為工程依托，采用數(shù)值計(jì)算，以強(qiáng)度折減法為計(jì)算手段，以安全系數(shù)作為穩(wěn)定性判斷的依據(jù)，對近接運(yùn)營地鐵隧道的盾構(gòu)隧道開挖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

文章以某在建隧道下穿既有運(yùn)營地鐵隧道成渝客專為工程依托,采用數(shù)值計(jì)算,以強(qiáng)度折減法為計(jì)算手段,以安全系數(shù)作為穩(wěn)定性判斷的依據(jù),對近接運(yùn)營地鐵隧道的盾構(gòu)隧道開挖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

強(qiáng)透水地層中隧道開挖面穩(wěn)定分析是盾構(gòu)掘進(jìn)施工中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。綜合考慮有效支護(hù)壓力和滲透力的影響,對隧道開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,前者基于土體穩(wěn)定的極限平衡理論計(jì)算結(jié)果,后者通過數(shù)值分析方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)地下水流條件下隧道開挖面附近水頭分布推導(dǎo)得出。作用在隧道開挖面的支護(hù)壓力由有效支護(hù)壓力和滲透力共同構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn),地下水滲流對隧道開挖面穩(wěn)定產(chǎn)生極大影響,維持開挖面穩(wěn)定極限支護(hù)壓力遠(yuǎn)大于無地下水滲流時的情況。理論分析結(jié)果、流固耦合數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)取得較好的一致,驗(yàn)證了本文理論與方法的合理性和有效性。

在盾構(gòu)施工過程中,軟黏土地層開挖面的變形機(jī)理和穩(wěn)定性研究仍處于經(jīng)驗(yàn)階段.利用離心模型試驗(yàn),研究了上海黏土地層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性問題.試驗(yàn)分析了盾構(gòu)開挖過程中開挖面前方土體土壓力的變化規(guī)律和支護(hù)應(yīng)力與地表沉降的關(guān)系.給出了主被動破壞的極限支護(hù)應(yīng)力值以及施工參考范圍,這對黏土地層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性控制至關(guān)重要.

為了研究開挖面支護(hù)力、地層變形規(guī)律和開挖面失穩(wěn)發(fā)展過程,利用對稱性,采用半隧道模型,進(jìn)行不同支護(hù)板后退速率下的4組試驗(yàn).結(jié)果表明,支護(hù)板后退速率影響支護(hù)力和地層變形數(shù)值,而不影響其發(fā)展規(guī)律.隨著支護(hù)板位移增大,支護(hù)力快速下降到最小值,接著上升到穩(wěn)定值.相應(yīng)地,開挖面失穩(wěn)發(fā)展依次經(jīng)歷局部剪切帶、閉合剪切帶、貫穿剪切帶3個階段.與理論模型的對比發(fā)現(xiàn),機(jī)動場模型處于閉合剪切帶階段,得到的支護(hù)力更接近于最小支護(hù)力;楔形體模型處于貫穿剪切帶階段,得到的支護(hù)力更接近于穩(wěn)定支護(hù)力.

盾構(gòu)隧道施工過程中支護(hù)壓力不足會引起開挖面失穩(wěn)。針對淺埋盾構(gòu)隧道,采用大比尺物理模型試驗(yàn)對盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定進(jìn)行研究。試驗(yàn)通過控制支護(hù)板移動速度來模擬開挖面失穩(wěn)變形過程,并對支護(hù)壓力和地表變形進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)了支護(hù)力和地表變形發(fā)展的3個階段。與此同時,采用數(shù)碼攝像技術(shù)對失穩(wěn)土體實(shí)時觀測,并利用顆粒圖像技術(shù)對圖像進(jìn)行處理得到失穩(wěn)土體的位移增量場。對比發(fā)現(xiàn),位移增量場的變化規(guī)律與支護(hù)力和地表變形的3個階段相對應(yīng)。

從塑性極限分析機(jī)動學(xué)方法出發(fā),利用土的強(qiáng)度折減系數(shù)概念,建立了隧道開挖面三維穩(wěn)定性分析模型,確定了潛在破壞模式下的開挖面穩(wěn)定系數(shù)。針對典型問題,通過與楔形體模型、梯形楔體模型以及離心模型試驗(yàn)對比分析,得出的計(jì)算結(jié)果介于楔形體模型和梯形楔體模型之間,更接近于離心模型試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了方法的合理性。