赣江过江盾构隧道掌子面稳定性分析

隧道盾构法施工开挖面稳定性研究方法评析裴洪军孙树林吴绍明裴红岩苑明文摘要:随着隧道技术的发展,盾构隧道成为城市地下工程施工的主要施工方法,而盾构在推进过程中开挖面稳定性的研究未能引起关注,本文就开挖面稳定性的研究方法作出评析与比较,从而更好地指导开挖面稳定性的研究工作。

关键词:隧道盾构;推进;开挖面稳定1引言盾构隧道技术是城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法,已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。

同其他施工方法一样,由于地质条件和施工工艺的限制,很难避免盾构推进对周围环境的扰动,甚至导致过大的地面沉降。

而这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性,所以开挖面的稳定是盾构施工的一个重要问题。

虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作,但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化,使得研究成果具有一定的局限性,为此本文综合地评析了盾构法施工开挖面稳定的研究方法,以期更好地指导对开挖面稳定性的研究工作。

2隧道盾构法开挖面稳定的研究方法2.1开挖面稳定系数法许多学者已经描绘了隧道开挖面的破坏机制,通过理论分析或是经验以稳定系数Ｎ的形式提出了保持开挖面稳定所需支持力的计算公式,Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ[1](1967)提出了粘性土稳定的确定方法。

Ｎ=(σｓ+γＨ-σｔ)/Ｓｕ(1)γ:土体单元的重力;Ｄ:盾构直径;Ｓｕ:盾构轴心处土体的不排水剪切强度;σｓ地面荷载;Ｈ:地表到盾构轴心处距离;σｔ:盾构面支持应力;当稳定系数Ｎ6时,开挖面稳定。

Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ所定义的稳定系数是一种安全系数,相反较高的稳定系数却对应于较低的安全系数,而实际上安全系数又不容易确定。

Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ还指出:当(Ｈ/Ｄ)=1.5时,Ｎ=5～7开挖面处于稳定,可以看出盾构埋深与直径的比值是一个重要影响因子,所以随着这个比值的不同稳定系数也会有很大的波动。

Ｋｉｍｕｒａ和Ｍａｉｒ(1981)通过固结粘性土的离心试验,针对开挖面的稳定给出了较大的稳定系数取值范围,并且证实了取决于埋深的开挖面稳定系数在Ｎ=5～10。

围岩级别对大断面隧道掌子面稳定性影响论文【摘要】隧道围岩级别对掌子面稳定性有着极为重要的影响，围岩条件越差，隧道自支护的能力越差，掌子面稳定性越差。

Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，塑性区和掌子面的变形都较小，掌子面主要发生弹性变形，掌子面稳定。

Ⅳ～Ⅵ级围岩，随着围岩级别增大，塑性区和掌子面变形均大幅度增大，应及时采取支护措施，防止隧道坍塌。

1、大断面隧道定义按照国际隧协断面划分标准，认为隧道断面面积为50.0～100.0m2时，即为大断面隧道。

随着大断面隧道的增多，世界各国都把大断面隧道修建技术作为一个重要的课题加以研究。

本文主要从围岩级别对大断面隧道掌子面稳定性影响进行研究。

2、模型的建立和计算本文的数值模型是基于工程实例来确定的，隧道断面尺寸为：宽×高=10m×8.5m，三心圆隧道。

根据国际隧协关于隧道断面的划分标准，本隧道断面面积已超过50m2，属于大断面隧道。

利用FLAC3D软件建立了数值模型，模型两侧宽度各取4倍跨度，埋深均为25m，纵向深度取40m。

围岩材料的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性理论模型，支护结构的力学模型采用弹性模型，均采用实体单元，隧道开挖方式采用全断面开挖。

我国铁路隧道和公路隧道采用同样的围岩分级方法，把围岩基本上分为六级。

隧道围岩分级是以坑道稳定性为为前提进行分级的，即把稳定性大致相同的地质条件归属于同样稳定性的一级。

从根本上说，在坑道工程中，如何保证坑道的暂时稳定（施工期间）和长期稳定（运营期间）始终是一个基本、关键性的问题。

[1]为了研究掌子面的稳定性情况，选取同一隧道在Ⅱ～Ⅵ级围岩条件下进行计算，研究其掌子面上塑性区的形成情况和掌子面变形进而判定其稳定性。

3、计算结果分析3.1. Ⅱ级围岩从数值模拟结果可以看出，在Ⅱ级围岩的条件下开挖后掌子面处于弹性状态，并无塑性区域产生。

掌子面的变形很小，最大挤出位移约为2.3mm，此时的掌子面还处于弹性变形阶段。

隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析随着城市建设和交通网络的发展，隧道的建设已经成为一种常见现象。

在隧道施工的过程中，岩层掌子面的稳定性是一个重要的问题。

本文将对隧道施工中岩层掌子面的稳定性进行分析，以帮助工程师和施工人员更好地排除隧道施工中的安全隐患。

1. 引言隧道施工中的岩层掌子面稳定性是指在施工过程中，岩层或土壤的断裂、滑动、坍塌等不稳定现象。

在进行隧道施工前，必须进行岩土力学测试和分析，以评估岩层掌子面的稳定性，确保施工过程中的安全。

2. 岩土力学测试和分析在进行隧道施工前，岩土力学测试是必不可少的。

通过采集岩层样本并进行实验，可以得到岩层的物理力学性质，如抗压强度、抗剪强度等。

此外，还可以进行地质勘察，了解岩层的结构、岩性、断裂裂隙等情况。

通过这些数据，可以进行岩土力学分析，评估岩层的稳定性。

3. 岩层掌子面的稳定性分析岩层掌子面的稳定性是指岩层在施工过程中是否有倾倒、滑动或坍塌等情况。

在分析岩层掌子面的稳定性时，需要考虑到以下因素：3.1 岩层的物理力学性质：岩层的抗压强度和抗剪强度是评估岩层稳定性的重要指标。

当岩层的抗剪强度较低时，容易发生滑动和倾倒现象；当岩层的抗压强度较低时，容易发生坍塌现象。

3.2 岩层的结构和岩层面的倾角：岩层的结构和岩层面的倾角也是影响岩层掌子面稳定性的因素。

结构复杂、岩层面倾斜较大的岩层更容易发生滑动和倾倒现象。

3.3 岩层周围的地应力：地应力是指施工场地附近的地下压力。

当地应力较大时，岩层掌子面的稳定性较差，容易出现滑动和倾倒现象。

4. 隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析方法为了预防隧道施工过程中的岩层掌子面稳定性问题，可以采用以下方法进行分析和控制：4.1 前期地质勘察和岩土力学测试：在进行隧道施工前，必须进行详细的地质勘察和岩土力学测试，以了解岩层的结构、性质和稳定性。

这将为后续的施工过程提供重要的参考依据。

4.2 施工支护结构的设计和改进：根据岩层的稳定性分析结果，设计合适的施工支护结构，如锚杆、喷射混凝土和钢筋网等。

隧道掌子面稳定性控制理论研究摘要：随着现代交通的快速发展，地下工程建设项目越来越多，深埋、长大及偏压隧道的需求也日益增大。

隧道在施工过程中频繁地遇到各种复杂的地质情况，而其隧道在穿越各种地层时也将遇到各种地质灾害。

面对这种情况，隧道掌子面稳定性控制的研究显得十分重要。

本文通过查阅国内外学者的研究成果，对掌子面周围土体及围岩、支护技术、信息处理技术和预测检测技术进行粗略地总结，对掌子面稳定性研究现状进行探讨，从中总结出掌子面稳定性研究的进步与不足之处。

关键词：隧道掌子面稳定性支护技术预测与检测信息处理1前言中国是一个多山的国家，其60%的全国面积属于山区和高原地区。

在修建山区铁路时，隧道工程是必不可少的。

随着科技水平的进步，隧道工程的技术水平也跟着提升了。

尤其是在隧道现代化设计理念的提出，以及现代化机械设备和施工新技术的不断创新，实现了隧道工程的跨越式进步，其集中体现在城市地铁、长大深埋隧道、过江过海隧道等各类用途的地下工程及隧道工程。

20世纪将成为人类向地下方向发展的世纪。

而隧道工程的技术也将不断发展创新，同时也面临着各种新技术的挑战。

隧道工程的发展正面临着开挖技术、支护技术和施工组织等方面的技术性问题。

但是隧道工程实际上还是一个地质工程，在隧道的建设过程中，会遇到各种各样的地质环境，同时在施工过程中也就产生了各种地质难题。

比如，隧道在软弱破碎带时，其围岩具有稳定性差、受力复杂等特点，常常会形成软弱围岩大变形等地质灾害。

而且围岩受力普遍复杂，围岩的应力分布及变化情况复杂，在隧道施工中都存在很多困难，常常造成塌方等安全事故。

因此针对隧道施工的特点及地层围岩变形特性可知，隧道开挖面的稳定性是十分重要的。

而一直以来，国内外的隧道工程因为掌子面失稳而发生的事故也屡见不鲜。

国内的如2011年４月２０日，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进行初期支护施工时，发生拱部局部坍塌，掌子面发生坍塌事故，坍塌部位距隧道洞口约３００米，塌陷纵深长约１３米，塌方土石约２００－３００立方米，造成１２名现场作业人员被困;雅泸高速的泥巴山隧道，在隧道施工时，由于地下水的软化和腐蚀使得围岩强度下降且围岩内应力不断加大，致使钢拱架扭曲严重，甚至断裂，最后造成了长达20m的大塌方；国外的如日本惠那山隧道发生掌子面坍塌的事故。

DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.03.023盾构区间隧道长距离下穿河流施工稳定性分析王有权（中铁三局集团第四工程有限公司，北京102300）摘要：当盾构长距离下穿河流时，施工会引起较大的土体扰动和地表沉降，加大了建设的风险和困难，并对项目自身及沿线结构物的安全性产生了一定影响。

以青岛某地铁线路盾构隧道下穿河流为背景，通过建立盾构下穿河流施工的三维有限元模型，评估下穿河流过程中施工的稳定性，结合盾构下穿河流施工工艺，对土体位移及管片变形规律进行研究。

研究结果表明，在双线隧道开挖过程中，地表竖向位移与水平位移数值均较小，左右两段隧道段的总体上浮，竖向最大位移数值也较小。

地表沉降与管片变形二者均满足施工规范要求。

在施工过程中，要严格控制施工参数，并进行合理加固，保证下穿河流的稳定性，研究结果可为类似下穿河流施工提供参考。

关键词：盾构隧道；稳定性分析；数值计算；地铁中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）03-0084-04由于地铁线路规划的复杂性，在建设地铁隧道时，必然要穿越结构物或河道。

盾构穿越河道时，因施工等原因易对土壤产生较大扰动，由于上部荷载及土层条件，管片也极易发生变形破坏。

因此，有必要对下穿盾构隧道的地表变形与管片变形进行研究，为准确预报地层和隧道断面的位移提出了相应的防治对策。

在盾构隧道方面已经有部分学者进行了研究。

李自力等（2020）[1]研究了不同注浆压力和注浆量对隧道变形、挡墙变形、内力及地面沉陷的影响；范雨等（2020）[2]利用有限元分析方法，对上软、下硬2种情况下双层盾构法开挖地面变形的变化规律进行了研究；刘先亮（2020）[3]利用Midas有限元分析方法，分别构建了2D和3D模型，研究了覆盖层厚度和施工参数对地面变形的影响；丁智等（2019）[4]以杭州轨道交通二号线为例，研究了软弱地基上的地面沉降变化规律；郝小红和郭佳（2017）[5]发现土体竖向沉降范围和纵向位移变形规律；喻军和龚晓南（2014）[6]结合顶管阻力、机头压力、土体阻力，模拟地表沉降，优化施工参数，降低了对土体的扰动；荆鸿飞（2012）[7]结合贵阳境内的地质、水文条件和跨江条件，对其进行了优选，制定了暗挖法的施工工艺，并对其施工过程中存在的问题进行了分析；宋克志等（2008）[8]通过研究盾构掘进过程中管片失效的原因，结合有限元仿真结果，提出了盾构掘进过程中存在的推力不均匀、注浆压力过大和盾构机偏斜等问题；陈俊生等（2006）[9]采用ADINA有限元分析软件，对盾构隧道在复杂荷载作用下的变形特性进行了研究；姜忻良等（2004）[10]给出了一种用于分析地基下沉的高效计算方法，得到了土的沉降随时间变化曲线。

- 114 -工 程 技 术0 引言在隧道掘进施工中，由于围岩本身的稳定性和其他问题，因此导致掌子面不稳定[1]。

国内外的研究人员对工作面的稳定性进行研究。

阳军生等[2]在对浅埋隧道掌子面稳定性进行评价分析过程中，应用上限有限元的分析方法。

姚聪等[3]利用非关联流法则进行掌子面稳定状态的计算分析。

张光武[4]研究通过筒仓理论接近断层掌子面的稳定性问题。

张海超等[5]采用数值模拟，研究富地表水下浅埋隧道的掌子面稳定性问题。

众多的研究结果表明，也有大部分岩土材料是遵循非线性的破坏准则。

当探究与稳定性有关的问题时，必须将非线性的特性考虑在内，否则所得结果会与实际情况有很大的差异。

此外，也有研究将非线性破坏准则与隧道施工等工程进行结合[6-7]。

因此，基于非线性破坏准则对隧道掌子面的稳定情况进行探究是有意义的课题研究方向。

该文为了对土体原有的强度参数进行折减，基于上限定理利用切线法将非线性破坏准则引入其中，以便将破坏机制中的内部能量耗散做功与实践的比值降低到等于外力功率的临界状态。

通过fmincon 工具，对包括多个变量的目标函数中寻找其最小值。

1 基本原理及假设针对掌子面稳定状态进行探讨，极限分析上限法如下：基于某种可允许、可机动的流速场，使其外力的做功与时间之比与内能消耗功率相同。

所处的隧道埋深H 是临界的上限埋深，此时，隧道掌子面在未支护的情况下处于稳定状态。

大量的研究结果显示，隧道较为软弱的围岩在发生破坏时，最大与最小主应力之间并非是线性的关系，而是存在非线性的关系。

最先提出的Power-Law 非线性强度准则，如公式（1）所示。

W V V §©¨·¹¸c n t m011（1）式中：τ为破裂面上切向应力；σn 为破裂面上法向应力；c 0、σt 、m 为岩土材料的相关参数。

当m 为1时，公式（1）可以退化为线性莫尔-库伦准则，在（、）坐标系内，将式子绘制成对应的曲线。

盾构隧道开挖面稳定性分析发布时间：2021-04-16T13:57:09.287Z 来源：《基层建设》2020年第32期作者：邓畅[导读] 摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。

湖南工业大学湖南省株洲市摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。

因此分析盾构隧道开挖面稳定性具有一定的现实意义。

关键词：开挖面盾构隧道稳定性 1盾构隧道施工工艺1.1盾构施工法的发展历史盾构隧道开挖技术作为目前应对复杂地质条件，广泛运用于隧道开挖的较为成熟的施工工艺，主要是指借助盾构机在地下进行隧道开挖，在防止开挖面稳定性的同时确保开挖作业的安全性，进而实现隧道开挖的施工方法。

盾构施工法由稳定开挖面、盾构挖掘机和衬砌三个部分组成，最早源自于英国，后来随着盾构施工的广泛运用，迅速得以传播。

1.2盾构施工原理介绍按照开挖面与作业室之间隔墙的构造，可以将盾构机分为全开敞式、半开敞式和密封式三种。

全开敞式主要适用于开挖面稳定性较好的围岩，半开敞式主要特点在于隔墙中可以设置排出口，而密封式盾构机则需要通过传感器掌握掘削情况，主要有泥水式盾构机和土压式盾构机。

盾构施工过程主要分为以下步骤：一是在隧道开挖点建立供盾构安装的竖井或基坑；二是固定后的盾构机沿着涉及抽象，向另一端的设计孔洞进行推进；三是在地层中开挖时，盾构机会受到来自地层的阻力，需要借助盾构千斤顶将地层阻力由隧道衬砌结构船只竖井或季肯的后靠壁上；四是当盾构掘进达到预定设计孔洞时，进入竖井或基坑，完成挖掘。

23李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷第4期隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析李清川1,路兆武2(1.济南金科骏耀房地产开发有限公司,济南250100;2.济南鑫都置业有限公司,济南250100)摘要:隧道施工过程中的监控测量是指导施工顺序㊁确保施工安全的重要手段㊂目前,隧道施工现场多采用以拱顶沉降和水平收敛为主的二维监测指标,难以获取开挖掘进过程中掌子面核心土的动态变形量㊂为了探究隧道施工过程中开挖面的空间变形特征,以两水隧道为试验原型,基于相似准则,开展了大比尺地质力学模型试验,获取了掌子面及前方围岩位移和应力随施工进程的变化规律,建立了掌子面与围岩变形释放率预测模型㊂结果表明,采用50m m进尺的全断面法开挖,拱顶沉降变形和应力释放量均大于拱腰处径向变形,但最终都收敛,由F L A C3D数值模拟对比分析,验证了全断面开挖在千枚岩地质环境中的可行性;掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前,应将掌子面变形作为隧道施工的关键监测指标,综合考虑掌子面随开挖时空变化的变形特征㊂试验真实呈现出了施工过程中隧道变形特征,揭示了掌子面及其前方围岩随开挖进尺的变形机制,试验结论对支护手段和支护时机选择提供了科学参考㊂关键词:地质力学模型试验;隧道工程;掌子面;变形释放率中图分类号:T U43文献标识码:A文章编号:1009282X(2023)04003208T e s t s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f e x c a v a t i o n f a c e s p a t i a l d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sd u r i n g t u n ne l c o n s t r u c t i o nL I Q i n g c h u a n1L U Z h a o w u21J i n a n J i n k e J u n y a o R e a l E s t a t e D e v e l o p m e n t C o L t d J i n a n S h a n d o n g250100C h i n a2J i n a n X i n d u R e a l E s t a t e C o L t d J i n a n S h a n d o n g250100C h i n aA b s t r a c t M o n i t o r i n g a n d m e a s u r e m e n t d u r i n g t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s a n i m p o r t a n t m e a n s t o g u i d e t h e c o n s t r u c t i o n s e q u e n c e a n d e n s u r e c o n s t r u c t i o n s a f e t y A t p r e s e n t t w o-d i m e n s i o n a l m o n i t o r i n g i n d i c a t o r s m a i n l y f o c u s e d o n a r c h s e t t l e m e n t a n d h o r i z o n t a l c o n v e r g e n c e a r e c o m m o n l y u s e d i n t u n n e l c o n s t r u c t i o n s i t e s m a k i n g i t d i f f i c u l t t o o b t a i n t h e d y n a m i c d e f o r m a t i o n o f t h e c o r e s o i l o f t h e t u n n e l f a c e d u r i n g e x c a v a t i o n I n o r d e r t o e x p l o r e t h e s p a t i a l d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f e x c a v a t i o n f a c e d u r i n g t u n n e l c o n s t r u c t i o n a l a r g e-s c a l e g e o-m e c h 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h e e x p e r i m e n t t r u l y p r e s e n t e d t h e t u n n e ld e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g c o n s t r u c t i o n p r o c e s s r e v e a l i n g t h e d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m o f t u n n e l f a c e a n d s u r r o u n d i n g r o c k a h e a d a s t h ee x c a v a t i o n p r o g r e s s e s T h e e x p e r i m e n t a l c o n c l u s i o n s p r o v i d e a s c i e n t if i c r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f s u p p o r t m e a s u r e s a n d s u p p o r t i ng t i m e K e y w o r d s g e o-m e ch a ni c a l m o d e l t e s t t u n n e l e n g i n e e r i n g t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e d e f o r m a t i o n r e l e a s e r a t e收稿日期:20230115作者简介:李清川(1989-),男,博士,主要从事岩土工程物理模拟和深部岩体力学稳定性分析与控制方法方面的研究工作,E-m a i l:t w138********@163.c o m㊂通信作者:路兆武(1979-),男,工程师,本科,主要从事工业与民用建筑工程方面相关工作,E-m a i l:l q c z1989@126.c o m㊂2023年8月地质装备0引言中国是世界上隧道最多㊁发展最快㊁地质条件和结构形式最复杂的国家[1]㊂隧道建设里程年均增长数千公里,但快速发展也出现了一些工程质量问题,其中隧道开挖后掌子面及其前方围岩失稳己经成为地下工程灾害的热点问题之一[2]㊂施工过程隧道掌子面前后围岩荷载位移释放特性是预测隧道稳定性与指导围岩支护的重要参数,但通过现场量测很难精确获取掌子面前后围岩应力和变形发展规律,特别是掌子面正前方的参数㊂针对隧道开挖过程中掌子面变形破坏问题,国内外学者通过模型试验㊁数值计算开展了相关研究[3-7]㊂法国C h a m b o n P等[8]通过模型试验,得出掌子面前方 待挖土体 的失稳方式以及埋深对隧道整体失稳坍塌的影响;童建军[9]通过模型试验,研究砂土围岩隧道开挖中掌子面的变形破坏形态,对未支护段破坏㊁掌子面破坏㊁掌子面和未支护段均破坏等三种破坏模式进行了总结,得到埋深比㊁进尺与掌子面稳定性相关关系;乔丽苹等[10]通过开展地下工程开挖面空间效应现场试验,获得了开挖面空间效应特征,并提出了描述开挖面空间效应的双曲正切函数经验公式,获得了不同预警等级条件下拱顶沉降值控制标准,为地下工程空间效应和开展地下工程稳定性控制提供了借鉴和参考;丁春林等[11]采用弹塑性有限元法分析了地应力释放对盾构隧道围岩强度和变形以及地表沉降变形的影响,指出影响隧道开挖面洞周围岩稳定性和地表沉降的因素;周勇等[12]以广梧高速公路牛车项隧道为例,通过理论方法㊁现场实测预测拱顶下沉时程曲线,并结合数值计算,分析围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响,确定合理支护时机,为工程实践提供参考;阳军生等[13]针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下自适应上限有限元计算,得到不同埋深和内摩擦角对应隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出和掌子面稳定性变化规律及精细化破坏模式㊂由于现场监测无法获取未开挖段的变形数据,施工过程中隧道掌子面前后围岩的荷载位移释放特性仍缺乏深入研究,并且在软弱围岩掌子面稳定理论研究方面,仍然没有建立起一个明确的定义,导致勘察㊁设计㊁施工各方对隧道掌子面的稳定认识不一致,阻碍了隧道建设工作的深入研究[14]㊂地质力学模型试验作为研究地下工程的重要方式,可以严格控制试验对象的主要参数,有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾,具有试验条件可控㊁试验过程可重复㊁试验数据易采集等优点㊂本文通过自主研制的大比尺 真三维隧道模型试验系统,以甘肃省兰渝线两水隧道为试验原型,基于相似准则,模拟和再现了真三维加载条件下隧道施工过程中掌子面及其前方围岩变形规律,并结合数值计算和经验公式得到了掌子面挤出变形与隧道围岩变形之间变形速率曲线和影响关系,为掌子面的安全施工提供了理论指导和科学手段㊂1试验系统大比尺 真三维隧道模型试验系统主要由地应力加载与控制单元㊁模型反力单元和数据采集分析单元3部分构成,见图1和图2㊂其中,地应力加载与控制单元实现对模型材料的真三维高地应力柔性梯度加载及精确控制;模型反力单元,最大外形尺寸:5.89mˑ5.33mˑ3.79m,为模型材料的三维应力加载提供反作用力;数据采集分析单元包括自主研发的微型光栅位移采集系统[15]和应变仪,完成对隧道开挖过程中关键位置的压力与变形监测㊂图1模型试验系统构成F i g.1S t r u c t u r e o f m o d e l t e s t s y s t e m33李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷第4期图2试验系统关键部分实物图F i g.2P h y s i c a l d r a w i n g s o f k e y p a r t s o f t h e t e s t s y s t e m试验模型最大尺寸:3.6mˑ3.6mˑ2.5m,三心拱隧道尺寸:355m mˑ300m m(拱宽ˑ拱高),满足5倍洞径边界条件㊂2试验设计2.1工程背景兰渝线两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,沿线地形较为陡峻,相对高差400m,隧道最大埋深346m,隧道进口里程D1K357+082,出口里程D K362+084,全长4922.35m㊂两水隧道洞身涉及的地层主要为志留系中㊁上统千枚岩夹板岩㊁炭质千枚岩夹板岩㊁灰岩等,其中炭质千枚岩夹板岩为隧道通过主要地层,以炭质千枚岩为主,局部夹有板岩,深灰㊁灰黑色为主㊂千枚岩为软弱岩,岩体极破碎,完整性差,实际施工中出现了大变形问题㊂2.2试验方案根据试验模型空间尺寸和实际条件选取几何相似比尺为1/50,根据相似比尺和模型尺寸,原型隧道边界对应尺寸:180mˑ180mˑ125m(垂直隧道开挖方向ˑ延高程方向ˑ平行隧道开挖方向),由于隧道实际埋深为200m,隧道上部荷载附加荷载由地应力加载与控制单元等效施加㊂确定相似比如下:几何相似比Cɩ=50,容重相似比Cγ=1,泊松比相似比Cμ=1,应变相似比Cε=1,摩擦角相似比Cφ=1,应力和弹性模量相似比Cσ=C E=50㊂在满足相似原理的基础上,选用黄沙㊁重晶石粉㊁石英砂作为骨料,石膏粉水溶液作为胶结剂,通过相似材料的力学试验,获得基本满足相似条件的材料配比为HʒBʒQ=1ʒ0.32ʒ0.65(H为黄沙含量,B为重晶石粉含量,Q为石英砂含量),胶结剂的摩尔浓度为10.0%,胶结剂占材料总质量的6.0%㊂具体物理参数如表1㊂表1试验材料物理力学参数T a b l e1M a i n p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f t e s t m a t e r i a l s材料密度/(k g㊃m-3)弹性模量/M P a泊松比单轴抗压强度/M P a黏聚力/M P a内摩擦角/(ʎ)工程岩石250020000.350.351.5037黄土和沙2500400.350.350.0337试验模拟开挖断面为三心拱隧道,断面最大宽度为17.7m,最大高度为15.05m㊂为研究施工过程掌子面前后围岩的力学特性,将模型隧道沿轴线方向上分为两段,分别为0~1600m m范围的全断面开挖段和1600~2500m m的保留段㊂试验开挖进尺为50m m,结合试验方案共32步,每步时间间隔30m i n,共16h㊂试验量测的主要内容包括隧道开挖过程中,隧道关键断面掌子面前后围岩的应力和绝对位移场变化特征㊂具体采用光栅位移采集系统测量隧道围岩和掌子面的位移变化情况,采用应变采集系统结合微型土压力盒监测隧道围岩应力变化㊂监测元件主要以预埋方式置入模型体内部,共设三个监测断面,试验具体位置见图3㊂各断面在拱腰和拱顶埋置微型多点位移计和电阻式压力盒;并且在B断面拱心位置,延开挖方向埋置水平微型多点位移计和压力盒,监测掌子面开挖方向的位移和应力变化㊂3试验过程与结果分析3.1试验过程按配比将相似材料搅拌混合,选择分层摊铺方式进行模型填料,摊铺过程中选择压实机和人工压实,并进行干燥,然后再做上一层,在目标断面预埋测试元件,导线连接测试系统,直到完成整个模型㊂静止干燥后启动液压系统给模型表面加压,根据试验原型,换算得到垂直应力施加0.40M P a,左右和432023年8月地质装备图3 隧道开挖与监测断面传感器布设图F i g .3 S e n s o r l a y o u t a t t u n n e l e x c a v a t i o n a n d m o n i t o r i n gs e c t i o n s 后部水平应力施加0.25~0.30M P a 的梯度荷载,加压稳定后按照试验方案开挖,试验模型制作和隧道开挖照片如图4所示㊂图4 模型制作与隧道开挖F i g .4 M o d e l m a k i n g an d t u n n e l e x c a v a t i o n 3.2 试验结果隧道开挖过程中各监测断面测点的位移和应力累计变形随试验进程变化曲线见图5㊂从图5开挖过程中各监测断面拱腰-拱顶位移与应力变化规律可知,位移和应力随开挖步呈阶梯状变化㊂位移释放方向均朝向洞内,且量值逐渐增大,最后趋于平稳;应力随开挖进尺的增大逐渐释放减小并最终趋于稳定㊂根据掌子面经过断面A ㊁B ㊁C 前后时围岩变形规律,可将大致分为4个阶段,以断面B 为例说明如下:(1)变形孕育阶段,即开挖到目标断面10步之前(0~500m m ,0~5h )拱顶下沉和拱腰鼓起变化趋势较小或基本不变;(2)变形发展阶段,即开挖到目标断面前6步之内(第10步至第16步,500~800m m ,5~8h),曲线斜率开始变化,数值变化趋势增大;图5 各断面拱腰-拱顶位移与应力变化曲线F i g .5 D i s pl a c e m e n t a n d s t r e s s v a r i a t i o n c u r v e s o f c r o w n -h a u n c h f o r e a c h s e c t i o n 53李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷 第4期(3)变形显著阶段,即开挖到目标断面至开挖后6步(第16步至第22步,800~1100m m ,8~11h)内,拱顶下沉和拱腰内鼓数值增加显著;(4)变形收敛阶段,即开挖到目标断面6步之后(第22步之后,1100m m 后,11h 后),位移变化逐渐减小并稳定收敛,曲线斜率趋向于零㊂图6给出了试验过程中断面B 掌子面前方纵向(z 方向)位移和应力变化曲线,从图中可以看出,随着掌子面向前推进,即掌子面距测点距离逐渐减小,掌子面位移和应力向隧道临空方向变形释放,并呈幂函数形式变化,直到目标断面,测点挖出失效㊂图6 断面B 隧道掌子面位移与应力历时曲线F i g .6 F a c e d i s pl a c e m e n t a n d s t r e s s c u r v e f o r s e c t i o n B 3.3 数值计算对比验证为验证试验数据的可靠性,采用F L A C 3D 软件选取摩尔库仑本构模型进行数值模拟,模型共划分134900个单元采用与试验相同的边界条件㊁材料参数㊁开挖工法均与试验条件一致,断面B 数值计算云图和数值计算与试验数据对比曲线分别见图7和图8㊂图7 开挖到断面B 数值计算云图F i g .7 N u m e r i c a l c a l c u l a t i o n c l o u d m a pf o r s e c t i o nB 图8 数值计算与试验数据对比曲线F i g .8 C o m pa r i s o n c u r v eb e t w e e n n u m e r ic a l c a l c u l a t i o n a nde x pe r i m e n t a l d a t a 由F L A C 3D 数值计算与试验数据在模型相同位置处的位移应力对比可知,数值结果与试验结果的变化趋势吻合良好,变化量基本一致,侧面验证了试验的科学有效性㊂4 掌子面开挖空间特征分析为深入研究掌子面挤出变形与围岩变形的内在关系,以开挖距离为单位,提取隧道开挖过程中位移和应力数据,选取断面B 为分析对象,引入变形释放系数概念,得到同一断面拱腰㊁拱顶和掌子面分别沿开挖空间方向的应力和位移变形速率,构建掌子面荷载 位移释放率预测模型㊂4.1 变形释放系数分析变形释放系数用来表征开挖过程中隧道监测断面位移与应力变化速率特性㊂其中,位移释放系数指围岩内测点在开挖过程中某阶段的位移数值与该点在开挖达到稳定状态后位移的比值,主要研究某一个测点的围岩位移演变过程㊂测点的位移释放系数δ表达式为δ=μx /μθ(1)632023年8月地质装备式中:μx为测点开挖中某阶段位移增量,μθ为测点收敛位移值㊂应力释放系数指围岩和掌子面在开挖过程中某测点应力值在某阶段的变化量与开挖前初始值比值㊂用以研究不同断面和位置应力演变过程,应力释放系数γ表达式为γ=Δσx/σ0(2)式中:Δσx为测点开挖中某阶段应力增量,σ0为测点初始应力值㊂将所得试验数据代入公式(1)与公式(2),得到拱顶拱腰和掌子面位移与应力释放系数曲线㊂通过对图9断面B不同位置变形释放系分析比较可见,隧道围岩和掌子面变形规律主要受到隧道开挖扰动影响,拱顶 拱腰位置变形虽在数值上有所差异但变化率差别不大,掌子面变形速率均提前且大于同断面拱顶 拱腰变形速率;掌子面在到达目标断面时应力释放率和位移释放系数均未出现减小趋势,拱腰 拱顶位置变形速率在开挖后约200时趋向稳定㊂图9开挖过程中拱顶-拱腰-掌子面变形释放系数F i g.9D e f o r m a t i o n r e l e a s e c o e f f i c i e n t s c r ow n,h a u n c h a n d f a c e d u r i n g e x c a v a t i o n 4.2掌子面荷载—位移释放率预测模型为进一步探究掌子面与围岩变形关系,采用双曲正切函数对试验数据进行拟合,具体计算公式如下: C(n)=C0/2[t a n h(a n-b)+1](3)式中:C为释放率或释放系数;n=L/D,L为到目标断面的开挖距离,D为隧道洞径;C0㊁a㊁b为参数㊂公式满足以下3个条件:(1)nң-ɕ时,C=0;(2)nң+ɕ时,C=C0;(3)n=b/a时,C=C0/2㊂其中C0为最终变形释放系数㊂对公式(3)进行一次和二次求导得:C(n)'=a C0/2s e c(h2(a n-b))(4) C(n)ᵡ=-a2C0s e c(h2(a n-b))t a n h(a n-b)(5)因式中s e c(h(x))为双曲正割函数,一次导数恒大于0,故函数C(n)'在定义域内单调递增,且当n=b/a时,C(n)ᵡ=0,即此时的n为函数C(n)的拐点,表明该点处的应力位移变化量显著㊂综上,将所求得变形释放系数与相关参数代入公式(3),得到拱顶 拱腰 掌子面拟合曲线并确定拐点㊂因无法获得掌子面开挖到目标断面后数据,将经验公式中的C0设为未知数,得到为掌子面变形释放系数拟合曲线,如图10~13所示㊂由图可知围岩变形释放系数拟合曲线的拐点均发生在目标断面开挖后,表明在开挖到目标断面时围岩的最显著变化还未发生;掌子面的应力释放率和位移释放系数的拐点均在目标断面之前,表明在开挖到目标断面前,掌子面的最显著变化已经发生,且反推出的掌子面的应力释放率和位移释放系数约是围岩的1.4倍,因此,掌子面纵向变形应作为监测的首选敏感指标㊂图10拱顶-拱腰位移释放系数曲线拟合F i g.10C u r v e f i t t i n g o f c r o w n-h a u n c h d i s p l a c e m e n tr e l e a s e c o e f f i c i e n t73李清川等:隧道开挖过程中掌子面空间变形特征试验模拟与分析第24卷 第4期图11 拱顶-拱腰应力释放系数曲线拟合F i g .11 C u r v e f i t t i n go f c r o w n -h a u n c h s t r e s s r e l e a s e c o e f f i c i e nt 图12 掌子面位移释放系数曲线拟合F i g .12 C u r v e f i t t i n g o f t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e d i s pl a c e m e n t r e l e a s e c o e f f i c i e nt图13 掌子面应力释放系数曲线拟合F i g .13 C u r v e f i t t i n g of t u n n e l e x c a v a t i o n f a c e s t r e s s r e l e a s e c o e f f i c i e n t经验公式全部为无量纲化参数,拟合相关系数均在0.95以上(表2),拟合曲线能够较合理地反映试验数据㊂表2 各曲线拟合参数与相关系数T a b l e 2 E a c h c u r v e -f i t t i n g pa r a m e t e r a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t 曲线C 0ab相关系数围岩 位移1.0002.60.340.96围岩 应力1.0004.90.690.97掌子面 位移1.4122.2-0.380.99掌子面 应力1.4251.8-0.410.99隧道开挖施工过程中,支护措施的时间设置在很大程度上决定了支护效果㊂综上分析,支护时间的选择不仅要考虑隧道围岩的径向变形,还要综合考虑掌子面随开挖时空效应的变形特征,充分发挥围岩的承载作用,既保证施工安全,又能使支护成本降到最低㊂5 结论本文利用大比尺 真三维隧道模型试验系统,以兰渝线两水隧道为试验原型,成功模拟了真三轴加载环境下的三心拱隧道开挖,得到了隧道开挖空间的变形特征和规律,主要结论如下:(1)试验结果表明,采用全断面法开挖,拱顶沉降变形大于拱腰径向变形,但最终都收敛,数值模拟对比分析也验证了全断面开挖在千枚岩地质环境中的可行性㊂(2)通过变形释放系数曲线对比可知,拱顶㊁拱腰变形虽在数值上有所差异,但变化速率基本一致,并在开挖约200m m 后趋向稳定,掌子面变形速率均大于同断面拱顶㊁拱腰变形;且掌子面在到达目标断面时位移和应力变形量未出现减小趋势㊂(3)隧道开挖过程中掌子面挤出变形的变化速率均大于同一断面拱腰㊁拱顶的变形速率,且由经验公式可知围岩最大变形发生在开挖到目标断面之后,而掌子面则发生在开挖到目标断面之前㊂在隧道施工监测中,不仅要考虑隧道断面径向变形,还要综合考虑掌子面随开挖时空效应的变形特征㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] 王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多㊁最复杂㊁今后发展最快的国家[J ].铁道标准设计,2003(1):14.W A N G M e n g s h u .C h i n a h a s t h e l a r ge s t a m o u n t of t u n n e l s a n d u n d e r gr o u n d w o r k s i n t h e w o r l d w i t h m o s t c o m p l i c a t e d g e o l o gi c a l c o n d i t i o n s ,a n d h a s a f o r e s e e a b l e q u i c k e s t d e v e l o pm e n t i n 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南昌地铁泥水盾构穿越赣江风险分析及其控制措施黄学军;杨艳玲【摘要】南昌地铁1号线秋水广场站—中山西路站区间隧道工程是南昌市首个下穿赣江工程.该隧道地质条件极为复杂,地层透水性强,且与赣江水系连通,水压大,隧道覆土厚度最浅仅5.4 m(小于1倍隧道洞径).覆土层主要为透水砂层,地层渗透系数为10-1级别.盾构穿越地层主要为泥质粉砂岩地层,土层粘性土体颗粒含量高,盾构机刀盘易结泥饼.该隧道泥水盾构穿越赣江的风险主要包括:1)强透水复合地层泥水盾构始发;2)泥水盾构穿越浅覆盖透水层,掌子面可能出现塌方、冒顶、涌水等;3)泥水盾构穿越泥质粉砂岩地层刀盘结泥饼;4)强透水复合地层带压换刀作业.为此,针对泥水盾构穿越赣江施工过程,深入系统地分析以上4方面风险,在此基础上提出4项风险控制措施.现场应用表明:风险控制措施合理可行,其可为泥水盾构成功穿越赣江提供保障,并创造显著的经济、社会效益.%The tunnel project between Qiushui Square Station-Zhongshan West Road Station of Nanchang Metro Line 1 is the first project under-cross Ganjiang River inNanchang.Geological conditions of the tunnel are extremely complicated,the stratum exhibits strong water permeability and connects with the Ganjiang River system at high water pressure,and the minimum thickness of covering soil of the tunnel is only 5 .4m (<1 times tunnel diameter).The covering soil is mainly permeable sand,and the permeability coefficient of stratum is class 10-1 .The shield crossing stratum is mainly argillaceous siltstone stratum, the content of cohesive soil particles in soil layer is high,and cutterhead is vulnerable to mud cakes.The risks for slurry shield of the tunnel crossing the Ganjiang River mainlyinclude:1 )Origination of slurry shield in strong permeable composite stratum;2)Slurry shield crosses shallow covering permeable layer,so collapse,roof fall and water burst,etc.may occur to face;3 )Slurry shield crosses argillaceous siltstone stratum and mud cakes from on cutterhead;4 )Tool change operation with pressure in strong permeable composite stratum.For this purpose,this paper systematically analyzes the above 4 risks in allusion to the construction process of slurry shield crossing the Ganjiang River,and on this basis proposes control measures for 4 risks.The application on site shows that the risk control measures are reasonable and feasible,and can provide guarantee for successful crossing of slurry shield over the Ganjiang River and create remarkable economic and social benefits.【期刊名称】《公路交通技术》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】6页(P112-116,126)【关键词】南昌地铁;泥水盾构;风险分析;控制措施【作者】黄学军;杨艳玲【作者单位】中铁隧道集团二处有限公司,河北燕郊 065201;中铁隧道集团二处有限公司,河北燕郊 065201【正文语种】中文【中图分类】U455.3+9近年来，随着我国城市地铁建设的不断发展，泥水平衡盾构一直是穿越江(海)、湖泊等水下隧道工程的首选施工方法，如南京长江隧道、武汉长江隧道、上海复兴东路越江隧道、狮子洋隧道等[1-4]。