為了研究掘進過程中盾構隧道開挖面附近土體的穩定性,假設土體為純粘性土,且為理想彈塑性材料,服從摩爾-庫侖屈服準則,參照矩形基礎承載力問題的三維hill機構,建立了盾構隧道開挖面土體處于主動、被動極限平衡狀態下的破壞模式。從塑性極限分析上限法的基本原理出發,推導出三維盾構隧道開挖面極限支護壓力上限解的計算公式。結合某算例,討論了三維盾構隧道開挖面主動、被動極限支護壓力上限解與平面應變上限解的關系,以及開挖面極限支護力與土體粘聚力、h/d的相互關系。研究結果表明:三維盾構隧道開挖面主動極限支護力要比平面應變上限解小,而被動極限支護力要比平面應變上限解大;隨著粘聚力的增加,三維盾構隧道主動、被動極限支護力與平面應變上限解的差別也逐漸增大;盾構隧道開挖面主動、被動極限支護力的上限解均隨h/d的增大而增大,且h/d越大,盾構隧道開挖面主動、被動極限支護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 盾構隧道開挖面穩定數值模擬研究 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定問題進行了數值模擬,并與前人離心試驗研究 結果進行了比較分析,證明了數值模擬在研究盾構隧道開挖面穩定方面的可行性及其具有的優勢,為盾構隧 道施工中開挖面穩定問題研究提供建議。 關鍵詞:盾構施工;開挖面穩定;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律，將模型箱試驗結果和數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破壞機理。結果表明，支護力和地表沉降的變化規律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發生局部失穩破壞后，土拱繼續向上發展最終導致整體失穩破壞；埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區與土拱區隨埋深比的增大而增大。數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律，將模型箱試驗結果和數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破壞機理.結果表明，支護力和地表沉降的變化規律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發生局部失穩破壞后，土拱繼續向上發展最終導致整體失穩破壞;埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區與土拱區隨埋深比的增大而增大.數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.

盾構隧道開挖面穩定的可靠度研究——目前，盾構隧道開挖面穩定性評價方法均是確定性方法。為了考慮上體參數的變異性，提出用可靠方法來評價其穩定程度。采用數值模擬方法，研究了隧道開挖面極限支護壓力。基于bp神經網絡預測大量給定地層參數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、內摩擦角等強度參數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種地質強度差異較大地層,將此方法和數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,發現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,并隨地層內摩擦角、黏聚力差異的增大而增大。

盾構隧道施工中,開挖面穩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定問題進行了數值模擬,并與前人離心試驗研究結果進行了比較分析,證明了數值模擬在研究盾構隧道開挖面穩定方面的可行性及其具有的優勢,為盾構隧道施工中開挖面穩定問題研究提供建議。

首先基于已有的砂土地層深埋盾構隧道開挖面穩定性研究結果,分析了隧道開挖面的失穩破壞模式。然后根據土拱形態與隧道埋深的關系,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。

利用flac3d建立三維數值模型,對考慮完全流-固耦合效應的盾構隧道開挖面失穩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歷3個階段的變化,且與土體塑性區的發展密切相關;相比于無水狀態,考慮流-固耦合效應的開挖面穩定性顯著降低,隨水位的升高、滲流時間的增大,開挖面發生失穩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;開挖面失穩導致土體位移場延伸至地表,引起地表產生明顯的沉降變形,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。

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定,在各向異性比小于1時,規律則相反,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,隨土體內摩擦角的增大而非線性減小。

針對軟黏土地層中隧道開挖面穩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,結合相應數值模型對比,分析了開挖面極限支護壓力以及地表變形規律。研究結果表明:在開挖面被動破壞狀態下,隧道仰拱處首先出現與水平方向近似成45°+φ/2向上發展的滑動破裂帶,當其發展接近隧道拱頂時,拱頂滑動破裂帶形成,兩滑動破裂帶呈漏斗狀向上逐步發展至地表；隨著模型向前推進,開挖面壓力前期呈現線性快速增長趨勢,隨后土壓力增速逐步減小,開挖面壓力值最終趨于穩定,分析確定軟黏土地層開挖面被動破壞狀態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生隆起。

經與離心試驗結果對比分析,驗證了應用數值模擬研究盾構隧道開挖對鄰近樁基影響是可靠的。通過采用mohr-coulomb彈塑性屈服準則,建立三維有限元數值模型,研究軟土地區盾構隧道開挖對鄰近樁基的影響規律。數值模擬結果表明,開挖導致群樁中前排樁變形及內力均大于后排樁,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。

盾構隧道開挖對鄰近樁基影響數值分析——經與離心試驗結果對比分析，驗證了應用數值模擬研究盾構隧道開挖對鄰近樁基影響是可靠的。通過采用mohr—coulomb彈塑性屈服準則，建立三維有限元數值模型，研究軟土地區盾構隧道開挖對鄰近樁基的影響規律。數值模擬結果...

強透水地層中隧道開挖面穩定分析是盾構掘進施工中一項關鍵技術。綜合考慮有效支護壓力和滲透力的影響,對隧道開挖面穩定性進行了分析,前者基于土體穩定的極限平衡理論計算結果,后者通過數值分析方法計算穩態地下水流條件下隧道開挖面附近水頭分布推導得出。作用在隧道開挖面的支護壓力由有效支護壓力和滲透力共同構成。研究發現,地下水滲流對隧道開挖面穩定產生極大影響,維持開挖面穩定極限支護壓力遠大于無地下水滲流時的情況。理論分析結果、流固耦合數值模擬結果與工程實測數據取得較好的一致,驗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,對泡沫改良渣土進行室內三軸快剪試驗,分析不同泡沫比時渣土應力-應變關系和強度特性。建立基于計算流體動力學的三維流固耦合數值模型,分析泡沫比對開挖面支護壓力、地表沉降的影響,以及滲透系數對孔隙水壓力的影響。分析結果表明:泡沫比為20%的改良渣土比未改良渣土黏聚力減少9.72kpa,內摩擦角減少11.18°；開挖面縱向支護壓力隨著泡沫比的增大而減小；隨著改良渣土滲透系數的增大,孔隙水壓力明顯減少；泡沫比越大,開挖面上方地表沉降越大。

土壓平衡盾構在高水壓砂層中掘進時,施工措施不當會使開挖面發生涌水涌砂險情,進而引起較大的地表沉降,土體下沉會使得管片嚴重變形,威脅施工人員的生命安全。以武漢地鐵7號線小東門至武昌火車站盾構區間為研究背景,通過建立精細化數值模型,考慮水土流固耦合作用,研究土壓平衡盾構在砂土層中掘進時開挖面涌水對地表沉降及管片和螺栓內力的影響。結果表明:開挖面涌水量與地表沉降呈線性關系,與管片螺栓內力呈非線性增長關系,較大的涌水量使隧道拱頂處發生嚴重的擠壓變形,進而引起管片破損及螺栓屈服。因此,當開挖面發生涌水涌砂險情時,為防止地表嚴重下沉及管片破損,應盡快采取緊急措施減小涌水量。

盾構隧道開挖面不穩將會引起地面塌陷,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定性。研究成果具有重要的理論意義和應用價值。

盾構隧道開挖對鄰近樁基影響研究——通過采用mohr—coulomb彈塑性屈服準則，建立三維有限元數值模型，系統研究盾構隧道開挖引起的鄰近單樁工作性狀的變化規律。數值模擬結果表明，當隧道在距樁軸線0.5倍隧道直徑的范圍內推進時，鄰近單樁水平位移、彎矩、軸力的...

盾構隧道穿越溶洞密布的復雜環境時,不可避免的引起巖溶開挖區應力場突變,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、應力場和塑性區域三個方面分析巖溶隧道開挖所引起的圍巖變化規律.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增加而增大,圍巖周圍土體的應力場、位移場、塑性區域均隨著洞-隧之間不同的排列方式而呈現不同的變化規律.分析結果可為巖溶地區盾構隧道設計、施工以及運營提供理論及工程指導.

以位于富水砂層中的深圳地鐵11號線某區間隧道工程為例,采用有限差分軟件建立富水砂層盾構隧道的三維數值模型,模擬分析4種不同支護壓力作用下盾構隧道開挖面的穩定性;在此基礎上,提出基于穩定系數的開挖面失穩風險分析方法,用于對富水砂層盾構隧道開挖面失穩風險的分析和評估。結果表明:支護壓力越接近前方土體的靜止水土壓力,則開挖面變形越小,開挖面也越穩定;富水砂層盾構隧道的極限支護壓力比約為0.4,高于不考慮孔隙水壓力時的隧道極限支護壓力比。現場實際工程驗證表明,基于穩定系數的盾構隧道開挖面失穩風險分析方法可以快速、有效地確定隧道開挖面失穩的風險等級,可用于快速評估富水砂層中盾構隧道開挖面的失穩風險。

通過優化楔形滑塊傾角并考慮滑塊側面土體抗剪強度的影響,對現有三維梯形楔形體模型進行改進,建立了一種盾構隧道開挖面極限支護壓力的三維極限平衡計算模型。推導了極限支護壓力的計算公式,并通過優化分析得到了其最優解。通過優化得到的滑塊傾角隨隧道埋深增加略有減小,隨土體內摩擦角φ增大而增大,且高于通過π/4+φ/2得到的值。對土體內摩擦角和隧道埋深對極限支護壓力計算值的影響進行了分析,結果表明隧道埋深對極限支護壓力計算結果的影響遠小于土體的內摩擦角,且當土體內摩擦角較大或隧道深埋時,支護壓力值幾乎不受隧道埋深的影響。通過對離心模型試驗結果的理論預測表明所建模型是合理的,并優于現有的三維楔形體模型計算結果。