成層土中地下水滲流對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定影響上限分析

為了研究掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面附近土體的穩(wěn)定性,假設(shè)土體為純粘性土,且為理想彈塑性材料,服從摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則,參照矩形基礎(chǔ)承載力問(wèn)題的三維hill機(jī)構(gòu),建立了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面土體處于主動(dòng)、被動(dòng)極限平衡狀態(tài)下的破壞模式。從塑性極限分析上限法的基本原理出發(fā),推導(dǎo)出三維盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力上限解的計(jì)算公式。結(jié)合某算例,討論了三維盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面主動(dòng)、被動(dòng)極限支護(hù)壓力上限解與平面應(yīng)變上限解的關(guān)系,以及開(kāi)挖面極限支護(hù)力與土體粘聚力、h/d的相互關(guān)系。研究結(jié)果表明:三維盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面主動(dòng)極限支護(hù)力要比平面應(yīng)變上限解小,而被動(dòng)極限支護(hù)力要比平面應(yīng)變上限解大;隨著粘聚力的增加,三維盾構(gòu)隧道主動(dòng)、被動(dòng)極限支護(hù)力與平面應(yīng)變上限解的差別也逐漸增大;盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面主動(dòng)、被動(dòng)極限支護(hù)力的上限解均隨h/d的增大而增大,且h/d越大,盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面主動(dòng)、被動(dòng)極限支護(hù)力隨土體粘聚力的變化速率也越快。

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收稿日期:2004-09-02 作者簡(jiǎn)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(hào):1003-5923(2005)01-0027-04 盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬研究 秦建設(shè)1,尤愛(ài)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(kāi)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(duì)砂土地層盾構(gòu)施工中的開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)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(kāi)挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢(shì),為盾構(gòu)隧 道施工中開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)題研究提供建議。 關(guān)鍵詞:盾構(gòu)施工;開(kāi)挖面穩(wěn)定;離心試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)照物理模型試驗(yàn)，采用二維顆粒流程序（pfc2d）對(duì)不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開(kāi)挖面前方土體破壞機(jī)理。首先通過(guò)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(duì)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(kāi)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(gè)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(shí)，未能形成土拱，而埋深比較大時(shí)，滑動(dòng)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(guò)對(duì)照物理模型試驗(yàn)，采用二維顆粒流程序（pfc2d)對(duì)不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開(kāi)挖面前方土體破壞機(jī)理.首先通過(guò)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(duì)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(kāi)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(gè)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(shí)，未能形成土拱，而埋深比較大時(shí)，滑動(dòng)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)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定的可靠度研究——目前，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(lái)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定程度。采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力?；赽p神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)大量給定地層參數(shù)工況下的開(kāi)挖面極限...

基于塑性力學(xué)極限分析上限法,通過(guò)空間離散技術(shù),建立圓形盾構(gòu)隧道穿越分層地層時(shí)開(kāi)挖面失穩(wěn)的三維破壞機(jī)構(gòu),推導(dǎo)盾構(gòu)開(kāi)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(duì)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(duì)比,分析黏聚力、內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)差異對(duì)極限支護(hù)壓力的影響,同時(shí)驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性。針對(duì)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(duì)比,研究地層差異性對(duì)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(kāi)挖斷面豎直方向上的厚度占開(kāi)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。

盾構(gòu)隧道施工中,開(kāi)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(duì)砂土地層盾構(gòu)施工中的開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)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(kāi)挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢(shì),為盾構(gòu)隧道施工中開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)題研究提供建議。

首先基于已有的砂土地層深埋盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究結(jié)果,分析了隧道開(kāi)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(dòng)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(kāi)挖面極限支護(hù)力的理論計(jì)算方法。最后通過(guò)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(duì)比。驗(yàn)證了本文提出的計(jì)算模型用于開(kāi)挖面前方土體破壞特征分析合理,計(jì)算精度較高,同時(shí)計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單,可滿(mǎn)足工程需求。

利用flac3d建立三維數(shù)值模型,對(duì)考慮完全流-固耦合效應(yīng)的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行模擬和驗(yàn)證,并進(jìn)一步分析水位高度、滲流時(shí)間對(duì)開(kāi)挖面變形、地表沉降和孔隙水壓力的影響。研究表明:開(kāi)挖面變形隨支護(hù)壓力比的減小經(jīng)歷3個(gè)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(wú)水狀態(tài),考慮流-固耦合效應(yīng)的開(kāi)挖面穩(wěn)定性顯著降低,隨水位的升高、滲流時(shí)間的增大,開(kāi)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(kāi)挖面前方一定范圍的孔隙水壓力減小,靠近開(kāi)挖面的孔隙水壓力受擾動(dòng)程度加劇,形成\"漏斗狀\"的影響區(qū);開(kāi)挖面失穩(wěn)導(dǎo)致土體位移場(chǎng)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(kāi)挖面中心點(diǎn)位移與最大地表沉降分別呈拋物線(xiàn)相關(guān)和線(xiàn)性相關(guān)。

將盾構(gòu)開(kāi)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(kāi)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(duì)極限支護(hù)壓力的影響。算例分析表明:盾構(gòu)開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力隨各向異性比的增大而線(xiàn)性減小,在各向異性比小于1時(shí),若不考慮土體強(qiáng)度的各向異性會(huì)偏于不安全；在各向異性比大于1時(shí),盾構(gòu)開(kāi)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(shí),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(kāi)挖面極限支護(hù)壓力隨土體黏聚力的增大而線(xiàn)性減小,隨土體內(nèi)摩擦角的增大而非線(xiàn)性減小。

針對(duì)軟黏土地層中隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性開(kāi)展離心模型試驗(yàn),由遠(yuǎn)程控制模型推進(jìn)模擬隧道開(kāi)挖面被動(dòng)漸進(jìn)破壞。通過(guò)數(shù)字圖像處理分析技術(shù)對(duì)開(kāi)挖面被動(dòng)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(duì)比,分析了開(kāi)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(kāi)挖面被動(dòng)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(dòng)破裂帶,當(dāng)其發(fā)展接近隧道拱頂時(shí),拱頂滑動(dòng)破裂帶形成,兩滑動(dòng)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(kāi)挖面壓力前期呈現(xiàn)線(xiàn)性快速增長(zhǎng)趨勢(shì),隨后土壓力增速逐步減小,開(kāi)挖面壓力值最終趨于穩(wěn)定,分析確定軟黏土地層開(kāi)挖面被動(dòng)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(kāi)挖面被動(dòng)破壞會(huì)引起前方地表產(chǎn)生隆起。

經(jīng)與離心試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,驗(yàn)證了應(yīng)用數(shù)值模擬研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響是可靠的。通過(guò)采用mohr-coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則,建立三維有限元數(shù)值模型,研究軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明,開(kāi)挖導(dǎo)致群樁中前排樁變形及內(nèi)力均大于后排樁,且同排樁水平位移、彎矩和軸力沿樁身分布幾乎重合;與同位置單樁相比,群樁中各樁水平位移稍大,而沉降則更小;前排樁最大彎矩與同位置單樁相差不大,而后排樁最大彎矩稍大于同位置單樁,前、后排樁最大軸力均大于同位置單樁。

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析——經(jīng)與離心試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了應(yīng)用數(shù)值模擬研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響是可靠的。通過(guò)采用mohr—coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則，建立三維有限元數(shù)值模型，研究軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果...

強(qiáng)透水地層中隧道開(kāi)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(duì)隧道開(kāi)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(guò)數(shù)值分析方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)地下水流條件下隧道開(kāi)挖面附近水頭分布推導(dǎo)得出。作用在隧道開(kāi)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(duì)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定產(chǎn)生極大影響,維持開(kāi)挖面穩(wěn)定極限支護(hù)壓力遠(yuǎn)大于無(wú)地下水滲流時(shí)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(cè)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。

以佛莞城際鐵路工程為依托,對(duì)泡沫改良渣土進(jìn)行室內(nèi)三軸快剪試驗(yàn),分析不同泡沫比時(shí)渣土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性。建立基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的三維流固耦合數(shù)值模型,分析泡沫比對(duì)開(kāi)挖面支護(hù)壓力、地表沉降的影響,以及滲透系數(shù)對(duì)孔隙水壓力的影響。分析結(jié)果表明:泡沫比為20%的改良渣土比未改良渣土黏聚力減少9.72kpa,內(nèi)摩擦角減少11.18°；開(kāi)挖面縱向支護(hù)壓力隨著泡沫比的增大而減小；隨著改良渣土滲透系數(shù)的增大,孔隙水壓力明顯減少；泡沫比越大,開(kāi)挖面上方地表沉降越大。

土壓平衡盾構(gòu)在高水壓砂層中掘進(jìn)時(shí),施工措施不當(dāng)會(huì)使開(kāi)挖面發(fā)生涌水涌砂險(xiǎn)情,進(jìn)而引起較大的地表沉降,土體下沉?xí)沟霉芷瑖?yán)重變形,威脅施工人員的生命安全。以武漢地鐵7號(hào)線(xiàn)小東門(mén)至武昌火車(chē)站盾構(gòu)區(qū)間為研究背景,通過(guò)建立精細(xì)化數(shù)值模型,考慮水土流固耦合作用,研究土壓平衡盾構(gòu)在砂土層中掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面涌水對(duì)地表沉降及管片和螺栓內(nèi)力的影響。結(jié)果表明:開(kāi)挖面涌水量與地表沉降呈線(xiàn)性關(guān)系,與管片螺栓內(nèi)力呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系,較大的涌水量使隧道拱頂處發(fā)生嚴(yán)重的擠壓變形,進(jìn)而引起管片破損及螺栓屈服。因此,當(dāng)開(kāi)挖面發(fā)生涌水涌砂險(xiǎn)情時(shí),為防止地表嚴(yán)重下沉及管片破損,應(yīng)盡快采取緊急措施減小涌水量。

盾構(gòu)隧道穿越溶洞密布的復(fù)雜環(huán)境時(shí),不可避免的引起巖溶開(kāi)挖區(qū)應(yīng)力場(chǎng)突變,嚴(yán)重時(shí)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(duì)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(kāi)挖引起的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)域三個(gè)方面分析巖溶隧道開(kāi)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(gè)數(shù)增加而增大,圍巖周?chē)馏w的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、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(yíng)提供理論及工程指導(dǎo).

通過(guò)優(yōu)化楔形滑塊傾角并考慮滑塊側(cè)面土體抗剪強(qiáng)度的影響,對(duì)現(xiàn)有三維梯形楔形體模型進(jìn)行改進(jìn),建立了一種盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力的三維極限平衡計(jì)算模型。推導(dǎo)了極限支護(hù)壓力的計(jì)算公式,并通過(guò)優(yōu)化分析得到了其最優(yōu)解。通過(guò)優(yōu)化得到的滑塊傾角隨隧道埋深增加略有減小,隨土體內(nèi)摩擦角φ增大而增大,且高于通過(guò)π/4+φ/2得到的值。對(duì)土體內(nèi)摩擦角和隧道埋深對(duì)極限支護(hù)壓力計(jì)算值的影響進(jìn)行了分析,結(jié)果表明隧道埋深對(duì)極限支護(hù)壓力計(jì)算結(jié)果的影響遠(yuǎn)小于土體的內(nèi)摩擦角,且當(dāng)土體內(nèi)摩擦角較大或隧道深埋時(shí),支護(hù)壓力值幾乎不受隧道埋深的影響。通過(guò)對(duì)離心模型試驗(yàn)結(jié)果的理論預(yù)測(cè)表明所建模型是合理的,并優(yōu)于現(xiàn)有的三維楔形體模型計(jì)算結(jié)果。

針對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)的影響這一城市地下交通隧道建設(shè)中的難題,首先對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖的三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行了探討,此基礎(chǔ)上分析了當(dāng)隧道與鄰近單樁基礎(chǔ)之間相對(duì)位置不同時(shí),隧道開(kāi)挖對(duì)樁的影響及其規(guī)律,并與已有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了探討.研究表明:樁的端承力和側(cè)摩阻力的變化趨勢(shì)和隧道位置密切相關(guān);當(dāng)隧道位于樁正下方時(shí),樁端承力持續(xù)減小,側(cè)摩阻力增大,較小的地層損失就能導(dǎo)致樁端承力喪失;當(dāng)隧道位于樁旁側(cè)一定水平凈距離(約半倍隧道直徑)外時(shí),隧道開(kāi)挖將導(dǎo)致樁端承力不斷增大,側(cè)摩阻力減小,甚至產(chǎn)生負(fù)摩阻力;當(dāng)隧道位于樁側(cè)中部深度時(shí),還將引起較大的樁身彎矩;隨著隧道與樁之間水平距離的增加,隧道開(kāi)挖帶來(lái)的影響也迅速降低.

文章以某在建隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道成渝客專(zhuān)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(duì)近接運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

在盾構(gòu)施工過(guò)程中,軟黏土地層開(kāi)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(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題.試驗(yàn)分析了盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)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(dòng)破壞的極限支護(hù)應(yīng)力值以及施工參考范圍,這對(duì)黏土地層盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性控制至關(guān)重要.