富水砂層盾構隧道開挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風險的

首先基于已有的砂土地層深埋盾構隧道開挖面穩(wěn)定性研究結果,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)與隧道埋深的關系,修正了terzaghi松動土壓力計算公式,將該公式引入到三維楔形體計算模型中,得到了砂土地層深埋盾構隧道開挖面極限支護力的理論計算方法。最后通過算例把該方法計算結果與模型試驗和經(jīng)典理論方法所得結果進行了對比。驗證了本文提出的計算模型用于開挖面前方土體破壞特征分析合理,計算精度較高,同時計算過程較為簡單,可滿足工程需求。

盾構隧道開挖面不穩(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掘進,但施工工序煩瑣、材料浪費嚴重、掘進效率低下,為了穩(wěn)定盾構隧道開挖面、提高掘進效率,研究了超前預加固對富水砂卵石地層盾構隧道開挖面穩(wěn)定性的影響。結果表明:采用玻璃纖維注漿錨桿預加固開挖面前方圍巖,能明顯提高開挖面前方圍巖強度,增強盾構隧道開挖面穩(wěn)定性。研究成果具有重要的理論意義和應用價值。

考慮滲流的多層土盾構隧道開挖面穩(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展到滲流作用下多層土盾構隧道開挖面的穩(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展到滲流作用下多層土盾構隧道開挖面的穩(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,推導了滲流作用下盾構穿越多層土的隧道開挖面極限支護壓力的計算公式。極限支護壓力等于作用于開挖面有效支護壓力和滲透力的總和,其中有效支護壓力用極限平衡來計算,滲流力采用水頭分布的數(shù)值方法計算獲得的。計算結果發(fā)現(xiàn),滲透力構成了總支護壓力的主要部分,分析結果和工程實測數(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-固耦合效應的盾構隧道開挖面失穩(wěn)過程進行模擬和驗證,并進一步分析水位高度、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;相比于無水狀態(tài),考慮流-固耦合效應的開挖面穩(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)破壞的支護壓力比明顯增大;支護壓力比(表征支護壓力)的減小將導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位移與最大地表沉降分別呈拋物線相關和線性相關。

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,由遠程控制模型推進模擬隧道開挖面被動漸進破壞。通過數(shù)字圖像處理分析技術對開挖面被動漸進破壞模式進行了探究,結合相應數(shù)值模型對比,分析了開挖面極限支護壓力以及地表變形規(guī)律。研究結果表明: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,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。

將盾構開挖面卸荷引起的主應力軸旋轉考慮到\"楔形體-棱柱體\"極限平衡模型中,基于casagrande各向異性強度公式,推導得到各向異性地基中盾構開挖面極限支護壓力的極限平衡解,最后結合算例分析了各計算參數(shù)對極限支護壓力的影響。算例分析表明:盾構開挖面極限支護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,若不考慮土體強度的各向異性會偏于不安全；在各向異性比大于1時,盾構開挖面極限支護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,且土體強度各向異性越明顯,其變化的幅度越大；盾構開挖面極限支護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。

盾構隧道穿越溶洞密布的復雜環(huán)境時,不可避免的引起巖溶開挖區(qū)應力場突變,嚴重時造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程災害.采用有限元模擬方法,基于巖層破壞機理,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.結果表明:溶洞的存在使得隧道圍巖最大主應力顯著提高,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.分析結果可為巖溶地區(qū)盾構隧道設計、施工以及運營提供理論及工程指導.

盾構隧道開挖面穩(wěn)定的可靠度研究——目前，盾構隧道開挖面穩(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壓力?；赽p神經(jīng)網(wǎng)絡預測大量給定地層參數(shù)工況下的開挖面極限...

基于塑性力學極限分析上限法,通過空間離散技術,建立圓形盾構隧道穿越分層地層時開挖面失穩(wěn)的三維破壞機構,推導盾構開挖面極限支護壓力的計算方法,獲得最優(yōu)上限解。針對單一地層,將極限支護壓力計算方法與前人提出的3種多塊體模型計算方法進行對比,分析黏聚力、內(nèi)摩擦角等強度參數(shù)差異對極限支護壓力的影響,同時驗證本文方法的準確性。針對2種地質(zhì)強度差異較大地層,將此方法和數(shù)值模擬計算的極限支護壓力進行對比,研究地層差異性對極限支護壓力的影響,發(fā)現(xiàn)2種方法計算結果吻合度較高。研究表明:極限支護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(1973-),山西夏縣人,博士生,主要從事隧道盾構施工技術研究。 文章編號:1003-5923(2005)01-0027-04 盾構隧道開挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬研究 秦建設1,尤愛菊2 (1.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京210098;　2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘　要:盾構隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進順利進行的關鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格 朗日有限差分計算程序,對砂土地層盾構施工中的開挖面穩(wěn)定問題進行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗研究 結果進行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢,為盾構隧 道施工中開挖面穩(wěn)定問題研究提供建議。 關鍵詞:盾構施工;開挖面穩(wěn)定;離心試驗

通過對照物理模型試驗，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掘進過程進行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機理。首先通過研究支護力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗結果和數(shù)值模擬結果進行對比分析，分別確定了極限支護力；利用二維顆粒流程序對土拱效應進行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機理。結果表明，支護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)值模擬結果與模型箱試驗結果基本一致，驗證了采用縱面進行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進行深入顆粒流模擬。

通過對照物理模型試驗，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掘進過程進行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機理.首先通過研究支護力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗結果和數(shù)值模擬結果進行對比分析，分別確定了極限支護力；利用二維顆粒流程序對土拱效應進行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機理.結果表明，支護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)值模擬結果與模型箱試驗結果基本一致，驗證了采用縱面進行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進行深入顆粒流模擬.

盾構隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進順利進行的關鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格朗日有限差分計算程序,對砂土地層盾構施工中的開挖面穩(wěn)定問題進行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗研究結果進行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構隧道開挖面穩(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營地鐵隧道成渝客專為工程依托，采用數(shù)值計算，以強度折減法為計算手段，以安全系數(shù)作為穩(wěn)定性判斷的依據(jù)，對近接運營地鐵隧道的盾構隧道開挖穩(wěn)定性進行了分析。

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

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

從塑性極限分析機動學方法出發(fā),利用土的強度折減系數(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對比分析,得出的計算結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結果,驗證了方法的合理性。

針對程兒山隧道特殊砂層地質(zhì)情況進行研究，無水情況采用超前小導管插入膠合板法施工。單線鐵路隧道采用三臺階預留核心土工法，起到固砂防流砂、防坍塌作用，提高工效同時保證了施工安全，類似隧道中具有推廣應用價值。

分析了淺埋暗挖地鐵軟土隧道開挖后圍巖擾動帶應力、變形特性、表征方法。利用特征曲線法分析了地層預加固機理。以國內(nèi)常用的管棚預加固技術為例,提出了利用混合物理論中體積分數(shù)概念來分析加固效果的方法,并給出了應用實例。實例計算分析結果表明:采用管棚預加固技術加固隧道拱部可降低地表沉降,但對降低開挖面擠出效應效果有限。

為研究不同加固條件下黏土隧道開挖面失穩(wěn)發(fā)展過程及地表變形規(guī)律,采用軸對稱半隧道模型,進行了無加固、管棚加固和\"管棚+水泥土\"加固條件下的三組試驗,研究了開挖面支護力、地表沉降規(guī)律和開挖面失穩(wěn)發(fā)展過程.研究發(fā)現(xiàn),管棚加固后的土樣地表沉降明顯減小,而水泥土加固對地表沉降的減小作用有限.隨著支護板位移增大,支護力出現(xiàn)快速下降階段、穩(wěn)定階段和喪失階段.開挖面失穩(wěn)過程中,土體變形出現(xiàn)主要變形區(qū)域、次要變形區(qū)域和變形延伸區(qū)域.管棚加固或\"管棚+水泥土\"加固能延緩變形向地表發(fā)展,\"管棚+水泥土\"加固還能降低開挖面附近土體變形大小和范圍以及支護力的大小.