成层土中地下水渗流对盾构隧道开挖面稳定影响上限分析

为了研究掘进过程中盾构隧道开挖面附近土体的稳定性,假设土体为纯粘性土,且为理想弹塑性材料,服从摩尔-库仑屈服准则,参照矩形基础承载力问题的三维hill机构,建立了盾构隧道开挖面土体处于主动、被动极限平衡状态下的破坏模式。从塑性极限分析上限法的基本原理出发,推导出三维盾构隧道开挖面极限支护压力上限解的计算公式。结合某算例,讨论了三维盾构隧道开挖面主动、被动极限支护压力上限解与平面应变上限解的关系,以及开挖面极限支护力与土体粘聚力、h/d的相互关系。研究结果表明:三维盾构隧道开挖面主动极限支护力要比平面应变上限解小,而被动极限支护力要比平面应变上限解大;随着粘聚力的增加,三维盾构隧道主动、被动极限支护力与平面应变上限解的差别也逐渐增大;盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力的上限解均随h/d的增大而增大,且h/d越大,盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力随土体粘聚力的变化速率也越快。

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收稿日期:2004-09-02 作者简介:秦建设(1973-),山西夏县人,博士生,主要从事隧道盾构施工技术研究。 文章编号:1003-5923(2005)01-0027-04 盾构隧道开挖面稳定数值模拟研究 秦建设1,尤爱菊2 (1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;　2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘　要:盾构隧道施工中,开挖面稳定是保证掘进顺利进行的关键,本文利用能够考虑大变形破坏的拉格 朗日有限差分计算程序,对砂土地层盾构施工中的开挖面稳定问题进行了数值模拟,并与前人离心试验研究 结果进行了比较分析,证明了数值模拟在研究盾构隧道开挖面稳定方面的可行性及其具有的优势,为盾构隧 道施工中开挖面稳定问题研究提供建议。 关键词:盾构施工;开挖面稳定;离心试验

通过对照物理模型试验，采用二维颗粒流程序（pfc2d）对不同埋深和不同密度条件下的盾构掘进过程进行数值模拟，从而分析开挖面前方土体破坏机理。首先通过研究支护力和地表沉降的变化规律，将模型箱试验结果和数值模拟结果进行对比分析，分别确定了极限支护力；利用二维颗粒流程序对土拱效应进行研究，揭示了开挖面前方土体的失稳破坏机理。结果表明，支护力和地表沉降的变化规律都可分为2个阶段，且不受埋深条件的影响；发生局部失稳破坏后，土拱继续向上发展最终导致整体失稳破坏；埋深比较小时，未能形成土拱，而埋深比较大时，滑动区与土拱区随埋深比的增大而增大。数值模拟结果与模型箱试验结果基本一致，验证了采用纵面进行颗粒流模拟的可行性，因此可利用pfc2d进行深入颗粒流模拟。

通过对照物理模型试验，采用二维颗粒流程序（pfc2d)对不同埋深和不同密度条件下的盾构掘进过程进行数值模拟，从而分析开挖面前方土体破坏机理.首先通过研究支护力和地表沉降的变化规律，将模型箱试验结果和数值模拟结果进行对比分析，分别确定了极限支护力；利用二维颗粒流程序对土拱效应进行研究，揭示了开挖面前方土体的失稳破坏机理.结果表明，支护力和地表沉降的变化规律都可分为2个阶段，且不受埋深条件的影响；发生局部失稳破坏后，土拱继续向上发展最终导致整体失稳破坏;埋深比较小时，未能形成土拱，而埋深比较大时，滑动区与土拱区随埋深比的增大而增大.数值模拟结果与模型箱试验结果基本一致，验证了采用纵面进行颗粒流模拟的可行性，因此可利用pfc2d进行深入颗粒流模拟.

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究——目前，盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑上体参数的变异性，提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法，研究了隧道开挖面极限支护压力。基于bp神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限...

基于塑性力学极限分析上限法,通过空间离散技术,建立圆形盾构隧道穿越分层地层时开挖面失稳的三维破坏机构,推导盾构开挖面极限支护压力的计算方法,获得最优上限解。针对单一地层,将极限支护压力计算方法与前人提出的3种多块体模型计算方法进行对比,分析黏聚力、内摩擦角等强度参数差异对极限支护压力的影响,同时验证本文方法的准确性。针对2种地质强度差异较大地层,将此方法和数值模拟计算的极限支护压力进行对比,研究地层差异性对极限支护压力的影响,发现2种方法计算结果吻合度较高。研究表明:极限支护压力随上部软弱地层在开挖断面竖直方向上的厚度占开挖断面总高度的比例增大而增大,并随地层内摩擦角、黏聚力差异的增大而增大。

盾构隧道施工中,开挖面稳定是保证掘进顺利进行的关键,本文利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对砂土地层盾构施工中的开挖面稳定问题进行了数值模拟,并与前人离心试验研究结果进行了比较分析,证明了数值模拟在研究盾构隧道开挖面稳定方面的可行性及其具有的优势,为盾构隧道施工中开挖面稳定问题研究提供建议。

首先基于已有的砂土地层深埋盾构隧道开挖面稳定性研究结果,分析了隧道开挖面的失稳破坏模式。然后根据土拱形态与隧道埋深的关系,修正了terzaghi松动土压力计算公式,将该公式引入到三维楔形体计算模型中,得到了砂土地层深埋盾构隧道开挖面极限支护力的理论计算方法。最后通过算例把该方法计算结果与模型试验和经典理论方法所得结果进行了对比。验证了本文提出的计算模型用于开挖面前方土体破坏特征分析合理,计算精度较高,同时计算过程较为简单,可满足工程需求。

利用flac3d建立三维数值模型,对考虑完全流-固耦合效应的盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟和验证,并进一步分析水位高度、渗流时间对开挖面变形、地表沉降和孔隙水压力的影响。研究表明:开挖面变形随支护压力比的减小经历3个阶段的变化,且与土体塑性区的发展密切相关;相比于无水状态,考虑流-固耦合效应的开挖面稳定性显著降低,随水位的升高、渗流时间的增大,开挖面发生失稳破坏的支护压力比明显增大;支护压力比(表征支护压力)的减小将导致开挖面前方一定范围的孔隙水压力减小,靠近开挖面的孔隙水压力受扰动程度加剧,形成\"漏斗状\"的影响区;开挖面失稳导致土体位移场延伸至地表,引起地表产生明显的沉降变形,在不同的变形阶段开挖面中心点位移与最大地表沉降分别呈抛物线相关和线性相关。

将盾构开挖面卸荷引起的主应力轴旋转考虑到\"楔形体-棱柱体\"极限平衡模型中,基于casagrande各向异性强度公式,推导得到各向异性地基中盾构开挖面极限支护压力的极限平衡解,最后结合算例分析了各计算参数对极限支护压力的影响。算例分析表明:盾构开挖面极限支护压力随各向异性比的增大而线性减小,在各向异性比小于1时,若不考虑土体强度的各向异性会偏于不安全；在各向异性比大于1时,盾构开挖面极限支护压力随埋深比的增大而先减小后稳定,在各向异性比小于1时,规律则相反,且土体强度各向异性越明显,其变化的幅度越大；盾构开挖面极限支护压力随土体黏聚力的增大而线性减小,随土体内摩擦角的增大而非线性减小。

针对软黏土地层中隧道开挖面稳定性开展离心模型试验,由远程控制模型推进模拟隧道开挖面被动渐进破坏。通过数字图像处理分析技术对开挖面被动渐进破坏模式进行了探究,结合相应数值模型对比,分析了开挖面极限支护压力以及地表变形规律。研究结果表明:在开挖面被动破坏状态下,隧道仰拱处首先出现与水平方向近似成45°+φ/2向上发展的滑动破裂带,当其发展接近隧道拱顶时,拱顶滑动破裂带形成,两滑动破裂带呈漏斗状向上逐步发展至地表；随着模型向前推进,开挖面压力前期呈现线性快速增长趋势,随后土压力增速逐步减小,开挖面压力值最终趋于稳定,分析确定软黏土地层开挖面被动破坏状态下的支护压力可控制在1～1.9倍的静止土压力；开挖面被动破坏会引起前方地表产生隆起。

经与离心试验结果对比分析,验证了应用数值模拟研究盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。通过采用mohr-coulomb弹塑性屈服准则,建立三维有限元数值模型,研究软土地区盾构隧道开挖对邻近桩基的影响规律。数值模拟结果表明,开挖导致群桩中前排桩变形及内力均大于后排桩,且同排桩水平位移、弯矩和轴力沿桩身分布几乎重合;与同位置单桩相比,群桩中各桩水平位移稍大,而沉降则更小;前排桩最大弯矩与同位置单桩相差不大,而后排桩最大弯矩稍大于同位置单桩,前、后排桩最大轴力均大于同位置单桩。

盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析——经与离心试验结果对比分析，验证了应用数值模拟研究盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。通过采用mohr—coulomb弹塑性屈服准则，建立三维有限元数值模型，研究软土地区盾构隧道开挖对邻近桩基的影响规律。数值模拟结果...

强透水地层中隧道开挖面稳定分析是盾构掘进施工中一项关键技术。综合考虑有效支护压力和渗透力的影响,对隧道开挖面稳定性进行了分析,前者基于土体稳定的极限平衡理论计算结果,后者通过数值分析方法计算稳态地下水流条件下隧道开挖面附近水头分布推导得出。作用在隧道开挖面的支护压力由有效支护压力和渗透力共同构成。研究发现,地下水渗流对隧道开挖面稳定产生极大影响,维持开挖面稳定极限支护压力远大于无地下水渗流时的情况。理论分析结果、流固耦合数值模拟结果与工程实测数据取得较好的一致,验证了本文理论与方法的合理性和有效性。

以佛莞城际铁路工程为依托,对泡沫改良渣土进行室内三轴快剪试验,分析不同泡沫比时渣土应力-应变关系和强度特性。建立基于计算流体动力学的三维流固耦合数值模型,分析泡沫比对开挖面支护压力、地表沉降的影响,以及渗透系数对孔隙水压力的影响。分析结果表明:泡沫比为20%的改良渣土比未改良渣土黏聚力减少9.72kpa,内摩擦角减少11.18°；开挖面纵向支护压力随着泡沫比的增大而减小；随着改良渣土渗透系数的增大,孔隙水压力明显减少；泡沫比越大,开挖面上方地表沉降越大。

土压平衡盾构在高水压砂层中掘进时,施工措施不当会使开挖面发生涌水涌砂险情,进而引起较大的地表沉降,土体下沉会使得管片严重变形,威胁施工人员的生命安全。以武汉地铁7号线小东门至武昌火车站盾构区间为研究背景,通过建立精细化数值模型,考虑水土流固耦合作用,研究土压平衡盾构在砂土层中掘进时开挖面涌水对地表沉降及管片和螺栓内力的影响。结果表明:开挖面涌水量与地表沉降呈线性关系,与管片螺栓内力呈非线性增长关系,较大的涌水量使隧道拱顶处发生严重的挤压变形,进而引起管片破损及螺栓屈服。因此,当开挖面发生涌水涌砂险情时,为防止地表严重下沉及管片破损,应尽快采取紧急措施减小涌水量。

盾构隧道开挖面不稳将会引起地面塌陷,尽管采用诸如地表注浆加固能够保证盾构掘进,但施工工序烦琐、材料浪费严重、掘进效率低下,为了稳定盾构隧道开挖面、提高掘进效率,研究了超前预加固对富水砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性的影响。结果表明:采用玻璃纤维注浆锚杆预加固开挖面前方围岩,能明显提高开挖面前方围岩强度,增强盾构隧道开挖面稳定性。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。

盾构隧道开挖对邻近桩基影响研究——通过采用mohr—coulomb弹塑性屈服准则，建立三维有限元数值模型，系统研究盾构隧道开挖引起的邻近单桩工作性状的变化规律。数值模拟结果表明，当隧道在距桩轴线0.5倍隧道直径的范围内推进时，邻近单桩水平位移、弯矩、轴力的...

通过采用mohr-coulomb弹塑性屈服准则,建立三维有限元数值模型,系统研究盾构隧道开挖引起的邻近单桩工作性状的变化规律。数值模拟结果表明,当隧道在距桩轴线0.5倍隧道直径的范围内推进时,邻近单桩水平位移、弯矩、轴力的变化最为明显;当桩端位于隧道拱底深度上方时,盾构隧道开挖对邻近单桩变形影响较大,而当桩端超过隧道拱底深度时,邻近单桩内力受开挖影响较大。

盾构隧道穿越溶洞密布的复杂环境时,不可避免的引起岩溶开挖区应力场突变,严重时造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程灾害.采用有限元模拟方法,基于岩层破坏机理,分别针对溶洞数量不同及排列方式不同这两种重要因素,从隧道开挖引起的位移场、应力场和塑性区域三个方面分析岩溶隧道开挖所引起的围岩变化规律.结果表明:溶洞的存在使得隧道围岩最大主应力显著提高,围岩竖向位移随溶洞个数增加而增大,围岩周围土体的应力场、位移场、塑性区域均随着洞-隧之间不同的排列方式而呈现不同的变化规律.分析结果可为岩溶地区盾构隧道设计、施工以及运营提供理论及工程指导.

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。