干砂地层中盾构开挖面失稳模式及土拱效应试验研究

为了研究开挖面支护力、地层变形规律和开挖面失稳发展过程,利用对称性,采用半隧道模型,进行不同支护板后退速率下的4组试验.结果表明,支护板后退速率影响支护力和地层变形数值,而不影响其发展规律.随着支护板位移增大,支护力快速下降到最小值,接着上升到稳定值.相应地,开挖面失稳发展依次经历局部剪切带、闭合剪切带、贯穿剪切带3个阶段.与理论模型的对比发现,机动场模型处于闭合剪切带阶段,得到的支护力更接近于最小支护力;楔形体模型处于贯穿剪切带阶段,得到的支护力更接近于稳定支护力.

为了研究开挖面支护力、地层变形规律和开挖面失稳发展过程,利用对称性,采用半隧道模型,进行不同支护板后退速率下的4组试验.结果表明,支护板后退速率影响支护力和地层变形数值,而不影响其发展规律.随着支护板位移增大,支护力快速下降到最小值,接着上升到稳定值.相应地,开挖面失稳发展依次经历局部剪切带、闭合剪切带、贯穿剪切带3个阶段.与理论模型的对比发现,机动场模型处于闭合剪切带阶段,得到的支护力更接近于最小支护力;楔形体模型处于贯穿剪切带阶段,得到的支护力更接近于稳定支护力.

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。

在人工开挖的斜坡上施工满足合理桩间距的两根悬臂式抗滑桩,通过对模型槽内填土的顶面进行堆载,研究了桩前施工挡土板时挡土板水平变形和桩–板土压力比的变化规律。待位移传感器和土压力计读数稳定后,采用自上而下摘板的措施模拟桩前土开挖的施工过程。通过分析不同高度上测点x方向土压力的分布规律,探讨了桩间土沿高度方向直接土拱与摩擦土拱的作用程度及作用范围。摘板过程结束后,对桩间土的局部滑塌面进行测量,通过与三维土拱效应的作用范围进行比较,证实了合理桩间距条件下桩间土产生局部滑塌的范围总是处于直接土拱的拱圈内侧区域。采用自制的简易静力贯入设备对拱脚剪切线附近的原状土进行测定,基于实测锤尖贯入曲线,分析了桩间不同高度上拱脚的极限剪切作用厚度。

第二章四、在砂性土层中盾构开挖面稳定性研究 1 当泥水盾构工法用于砂性土层时，对于开挖面的稳定机理，通常都是将作用 于开挖面的地压分为地下水压和有效土压两部分，并用泥水压力对它们进行抗 衡。对于其中的有效土压部分，当开挖面有不透水性泥膜完全形成，而且将泥膜 介入到开挖面处的压力抗衡时，常通过泥水压和地下水压之间的差压的有效作 用，来谋求开挖面的稳定。并采用这种思考方式来设定泥水压力和对泥水质量进 行管理。 但是，切削刀头每隔15～45秒的间隔时间就对开挖面进行一次切削，因此 开挖面在一定程度上受到泥水的渗透并使地下水产生流动，提高开挖面土体的 孔隙水压。特别是原来被认为在泥膜形成性好、有效泥水压易形成的透水性小的 砂性土层，对于象现场这样长距离的排水情况，不如大幅度提高孔隙水压，使有 效泥水压力变得很小。因此，提高这样的孔隙水压成为开挖面稳定的首要问题。 (1)

为研究砂土地层中泥水盾构掌子面主动破坏模式及极限支护力规律,设计一套基于粒子图像测速(piv)等非接触测量方法的泥水盾构圆形掌子面稳定性控制模型试验系统。试验系统通过降低柔性压力室的水压来模拟泥水盾构掌子面的泥水压力失衡条件,利用piv等非接触测量手段获取掌子面的位移、剪应变等变形过程,并通过监测水压获取泥水支护力的变化过程,实现对泥水盾构掌子面破坏过程的模拟。对3种埋深比(c/d=0.5,1.0,2.0)下的掌子面破坏模式及极限支护力规律进行一系列的模型试验研究,试验结果表明:泥水支护力降低过程中,掌子面的变形可以分为4个阶段,其中第3阶段末掌子面处于极限平衡状态,对应的泥水支护压力为极限泥水支护力；随着泥水支护力的降低,掌子面变形逐渐向地表扩展,当埋深比较小(c/d=0.5)时,临界破坏时的失稳区已经扩展到地表,而埋深比较大(c/d=1.0和2.0)时,临界破坏时的失稳区尚处于地基内部；soubra和mollon理论模型中的破坏模式及极限支护力更接近于模型试验得到的结果。

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳；有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳；有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳；在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。

泥水平衡盾构开挖面稳定模型试验研究——以崇明越江隧道为背景提出了泥水平衡盾构动态开挖模型试验的可行试验方案，并通过该试验对泥水平衡盾构开挖面平衡的机理，盾构推进时沉降的分布规律进行了研究。试验结果表明，泥水平衡盾构开挖面导致的地表沉降很大程度...

泥水平衡盾构开挖面稳定模型试验研究

在盾构施工过程中,软黏土地层开挖面的变形机理和稳定性研究仍处于经验阶段.利用离心模型试验,研究了上海黏土地层盾构开挖面稳定性问题.试验分析了盾构开挖过程中开挖面前方土体土压力的变化规律和支护应力与地表沉降的关系.给出了主被动破坏的极限支护应力值以及施工参考范围,这对黏土地层盾构开挖面稳定性控制至关重要.

我国经济的快速发展,一线城市地铁项目规划开始加强,并且开始大量的修建城市地铁,在增大经济投入的同时,也投入了大量的技术支持。部分城市在修建的过程中,由于自身地理条件的限制,就会遇到一些地质条件非常复杂的卵石土层,在卵石层中盾构施工开挖面的稳定性成为地铁隧道建设的首选的施工方法,然而不同的地质条件对于卵石层中盾构施工开挖面稳定性要求也不同。本文基于某地铁的卵石层之上,主要探讨地铁卵石层中盾构施工开挖面的稳定性。以供同仁参考,其中的不足之处,希望同行多加指正。

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。

抗滑桩桩间土拱效应试验方法的研究——抗滑桩桩间土拱效应是抗滑桩桩距设计时需要考虑的重要因素，合理的桩距才能保证土拱效应的发挥。根据土拱效应的原理设计试验方案，经过试验验证，文内提出的试验方案可行，接近于工程实际。　　

盾构法施工技术近年来在国内外地下隧道工程中得到广泛应用,施工中的开挖控制技术是影响盾构机掘进效果的一项关键技术,尤其是在穿越地质条件复杂多变的情况下,开挖面压力控制难度加大,将会产生一系列问题,本文针对国内某地铁盾构隧道在上软下硬互层地基掘进中发生的地表坍塌问题,应用三维数值模拟方法,对事故发生的原因进行了分析,并提出其预防及处置意见,为国内土压力平衡式盾构法的应用提拱借鉴。

为研究低填路堤下应力分布特点,结合武汉市中北路延长线的实际工程,在路堤填土过程中进行了土压力和沉降观测,研究了填土过程中土压力和沉降的变化特点,分析了填土过程中土拱效应的形成规律.试验结果表明,在填土较低时,土压力的分布不均匀,而填土较高时,路堤中土压力分布比较均匀;而且随着填土高度的增加,桩顶及桩间土都有沉降趋势,并且桩间土沉降明显大于桩顶沉降.三角形布置形式下,土拱分布在三角形桩布置形式的各边上,土拱效应在桩土间是逐渐发挥的,并且在填土高度达到0.5s（s=桩中心距）时,土拱效应开始显著发挥.

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。

为研究不同加固条件下黏土隧道开挖面失稳发展过程及地表变形规律,采用轴对称半隧道模型,进行了无加固、管棚加固和\"管棚+水泥土\"加固条件下的三组试验,研究了开挖面支护力、地表沉降规律和开挖面失稳发展过程.研究发现,管棚加固后的土样地表沉降明显减小,而水泥土加固对地表沉降的减小作用有限.随着支护板位移增大,支护力出现快速下降阶段、稳定阶段和丧失阶段.开挖面失稳过程中,土体变形出现主要变形区域、次要变形区域和变形延伸区域.管棚加固或\"管棚+水泥土\"加固能延缓变形向地表发展,\"管棚+水泥土\"加固还能降低开挖面附近土体变形大小和范围以及支护力的大小.

为研究不同加固条件下黏土隧道开挖面失稳发展过程及地表变形规律，采用轴对称半隧道模型，进行了无加固、管棚加固和“管棚＋水泥土”加固条件下的三组试验，研究了开挖面支护力、地表沉降规律和开挖面失稳发展过程．研究发现，管棚加固后的土样地表沉降明显减小，而水泥土加固对地表沉降的减小作用有限．随着支护板位移增大，支护力出现快速下降阶段、稳定阶段和丧失阶段．开挖面失稳过程中，土体变形出现主要变形区域、次要变形区域和变形延伸区域．管棚加固或“管棚＋水泥土”加固能延缓变形向地表发展，“管棚＋水泥土”加固还能降低开挖面附近土体变形大小和范围以及支护力的大小．

静力触探中土层界面效应试验研究

本文介绍了改性聚酯合成纤维和盾铃型钢纤维混合应用，并对混合纤维混凝土抗裂、增强基本性能与基准混凝土试件性能进行了对比试验研究，试验结果表明，混合纤维混凝土能够明显改善混凝土的抗冲击性能，提高混凝土抵抗早期收缩裂缝的能力，有利于提高混凝土在恶劣环境下结构的耐久性。

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,土体内摩擦角大、塑流性差、含水量高且渗透系数大,土压盾构在此地层条件下掘进所受到的不利影响主要有:刀盘及螺旋输送机磨损严重、排土困难及开挖面土压平衡不易保持。以成都市地铁一号线为背景,采用真三轴实验手段,探究了加泥式土压盾构及欠压掘进模式的开挖面动态平衡机理。结果表明:(1)采用加泥式土压盾构施工,提高了砂卵石地层土体塑流性及保水性,可加快螺旋出土器排土,减少刀盘扭矩、千斤顶推力及刀头磨损,此外,由于产生泥膜效果,保持并在一定程度上提高了土体强度,有效控制了变形的发展;(2)土压盾构掘进中的欠土压模式,可缓解土舱压力过大,使滚刀处于相对独立的状态,有利于提高刀盘的工作效能,此外,该模式在一定应力水平下对土体强度的影响较小,但是要注意控制侧向变形的发展,盾构掘进中应利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定。

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