砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究_缪林昌

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三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究

第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究刘昂1, 2，张尔康1，林文丽3(1. 南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京，211816；2. 南京智慧岩土工程技术研究院有限公司，江苏南京，211899；3. 东南大学交通学院，江苏南京，211189)摘要：结合声发射(AE)传感装置开展考虑水泥掺入比、围压等条件的水泥胶结砂排水三轴试验。

研究结果表明：水泥胶结砂的AE 特征信息演化规律与应力−应变曲线具有较好的对应性；累计AE 事件随水泥掺入比的增大而减小，这与水化物的增加抑制了砂颗粒间滑移密切相关；随围压增大，累计AE 事件增大，同时促进了AE 信号在介质中的传播和胶结的断裂；随着水泥掺入比增加、围压降低，水泥胶结砂破坏形态由鼓胀破坏逐渐向剪切带破坏过渡。

关键词：声发射；水泥胶结砂；水泥掺入比；三轴剪切；破坏模式中图分类号：TU411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0618-10Evolution of acoustic emission characteristic of cemented sandsubjected to triaxial compression testsLIU Ang 1, 2, ZHANG Erkang 1, LIN Wenli 3(1. College of Transportation Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;2. Nanjing Intelligent Geotechnical Engineering Technology Research Institute, Nanjing 211899, China;3. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 211189, China)Abstract: A series of drained triaxial compression tests, incorporated with acoustic emission(AE) measurement system, were conducted on cemented sands with various cement mixing ratios under different confining stresses. The results show that the evolution of AE characteristic information of cement-bonded sand has a good correspondence with the stress-strain curve. The cumulative AE hits linearly decrease with the increase of cement收稿日期： 2023 −04 −05；修回日期： 2023 −06 −01基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(42102319)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20210259)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242022k30055) (Project(42102319) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(BK20210259) supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province; Project (2242022k30055) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)通信作者：林文丽，博士，副教授，从事岩土材料宏微观力学特性、声发射智能感测技术在岩土工程中的应用等研究；E-mail ：****************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.015引用格式：刘昂, 张尔康, 林文丽. 三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 618−627.Citation: LIU Ang, ZHANG Erkang, LIN Wenli. Evolution of acoustic emission characteristic of cemented sand subjected to triaxial compression tests[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(2): 618−627.第 2 期刘昂，等：三轴剪切条件下水泥胶结砂声发射特征信息演化规律研究mixing ratio, attributed to the restraining effect of the hydration products on micromechanical behaviors dominated by the frictional sliding of sand particles. While the cumulative AE events increase with the increase of confining stress, primarily due to the higher confining stress promoting the propagation of the AE signal in the medium and the fracture of the cementation. The failure pattern of cemented sand gradually shifts from bulging failure to shear band failure with the increased cement mixing ratio and decreased confining stress.Key words: acoustic emission; cemented sand; cement mixing ratio; triaxial compression tests; failure pattern国家“一带一路”“海洋强国”等国家重大战略的实施推动了一大批重大工程建设。

河海大学土木与交通学院研究生指导教师基本信息2010.9

桥梁工程研究所
郑长江袁黎
说明：此表仅为本学院在编研究生指导教师，不含本校跨学院、跨学科专业或外校研究生指导教师。
高明军王伟
石崇安全与防灾工程研究所隧道与城市轨道工程研究所刘汉龙刘军张富有王媛钟小春吴胜兴
男男男男女男男 √ √ √
√ √ √ √ √ √ √
岩石力学与工程；岩石高边坡与地下工程土动力学与工程抗震减灾；软土力学与地基处理散体力学与离散元法；爆炸灾害预防与控制工程抗震；防灾减灾岩土工程渗流破坏与控制；裂隙岩体渗流及其与应力场的耦合研究盾构隧道设计；隧道健康检测现代混凝土结构早期裂缝机理及成套控制技术研究；混凝土动态性能研究；钢筋混凝土结构仿真分析钢结构和钢与混凝土组合结构的性能与设计研究；水工金属结构的性能与设计研究；钢结构火灾后的可钢结构稳定分析；数值计算；水工金属结构的安全分析与加固研究钢筋混凝土结构设计理论；工程结构加固、改造、移位技术混凝土动态力学性能；复合材料工程应用；混凝土结构基本理论及近代计算方法混凝土结构基本理论及近代计算方法；工程结构抗震试验方法与性能设计钢筋混凝土结构结构基本理论；结构动力分析新型结构与钢-砼组合结构性能与设计、混凝土结构基本理论及近代计算方法大跨度结构风振动力性能；材料冲击动力试验大跨度钢结构；预应力混凝土结构钢桥搞震；维护及灾害修复；钢与混凝土组合结构桥梁桥梁抗震；海岸桥梁灾害新型预应力混凝土桥梁设计理论；桥梁监控与加固技术岩土工程测试技术；可靠度理论在岩土工程中应用土的静动力特性；路基工程高速公（铁）路铺面技术与质量控制；高速公路路面结构与材料公路工程技术；道路边坡处治技术交通运输规划与管理；交通安全交通运输规划与管理；交通控制与安全道路交通与安全、交通运输规划与管理、交通信息控制

盾构施工渗流场有限元模拟及其对临近土层的影响分析

ｔｅＦＭ（ｎｔｅｅｎｍｅｏ）ｓｆａｅＡＹｕｃｏｆｔｍｐｒｔｅｆｌｎｌｓ．ａｄａｈＥｉｅｍｅｔｔｄｏｔｒＮＳＳｆｎｔｎｏｆｉｌｈｗｉｅｅａｒｅａａｉｎｕｉｄｙｓ
ｓｅａｅｐｏｒｍｓｄｖｌｐｄｕｉｇｐｏｒｍｅｅｅｏｍｅｔｌｎｇｇ１ＬｆＮＳＹＳｐｒｍｅｒｃｅｐｇｒｇａｗａｅｅｏｅｓｒｇａｒｄｖｌｐｎｎａｕａｅＡｉｓ．０１—００．００．５０５ｏ：０３６／．ｓｎ１０５５２１０．３
盾构施工渗流场有限元模拟及其对临近土层的影响分析
黎春林缪林昌
（东南大学岩土工程研究所， ‘ 南京２０９）１０６（铜陵学院土木建筑系，陵２４０）。铜４００
Ａｂｓｒｃ：Ｂａｅｎｔｅｓｍｉａｉｆｔｅｇｖｒｉｇｅｕｔｏｎｏｎａｙｃｎｄｔｏｅｗｅｎｔｔａｔｓｄｏｈｉｌｒｔｏｈｏｅｎｎｑａｉｎｓａｄｂｕｄｒｏｉｎｓｂｔｅｈｅｙｉ
ＬｉＣｈｎｉ ‘ ｕｌｎ・ＭｉｏＬｉｃａｇａｎｈｎ
（ｌｓｔｔｏｏｅｈｉａＥｇｎｅｉｇＳｕｅｓＵｉｅｓｙａｆｇ２０９，ＣｉａｎｔｕｅｆｉＧｅｔｎｃｌｎｉｒ，ｏｔａｔｎｖｒｉ，Ｎｎｎ１０６ｈｎ）ｃｅｎｈｔｉ（ＤｐｒｎｏｖｌｎｔｃｕａＥｇｎｅｉｇＴｎｌｇＵｉｅｓｙｏｇｉｇ２４０Ｃｈｎ）ｅａｔｔｆｍｅＣｉｉａｄＳｒｔｒｌｎｉｅｒ，ｏｇｉｎｖｒｉ，Ｔｎｌ４００，ｉｕｎｎｔｎａ

土体流变性概述

土体的流变性研究姓名：学号：4160146120XX学院：建筑工程学院专业：建筑与土木工程摘要：简述土体的流变理论，对土体流变性的研究方法和流变模型都分别做了分类阐述及评价，并概述了土的流变试验，对土的流变特性研究发展趋势提出了几点意见。

关键字：流变性研究方法流变模型流变试验一、土体的流变理论土体变形与应力和时间有关的现象称为土体的流变现象。

土的流变机理在于:在骨架应力(有效应力)作用下,土颗粒表面吸附水(气)具有粘滞性,从而使颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应,土体变形延迟,即变形与时间有关；而另一方面土体变形受到边界约束,这种约束有阻挡蠕动变形发展的趋势,因此,土体内部应力随之逐步调整,即应力也与时间有关。

土体的流变性是土的重要的工程性质之一。

在工程实践中，土体的流变现象主要包括以下几个方面。

1、蠕变——即恒定应力作用下变形随时间增长的现象。

2、松弛——即恒定变形的情况下应力随时间衰变的现象。

3、流动——即给定的时间的变形的速率随应力变化的现象。

4、长期强度随受荷历史变化的现象。

土体的流变变形分为压缩和剪切两大类。

在沉降分析中主要考虑土体受压时的流变特性，强度问题则主要研究土体受剪时的流变特性。

土体的流变性质首先与土体的结构有关，无论砂性土还是粘土都具有一定程度的流变性质。

土的流变性质还与应力大小和温度有关。

二、土体的流变性的研究方法流变性是土的重要特性之一，早在1948年荷兰学者Genie E．C．W．A和我国学者陈宗基开始了土的流变性的研究，应用实心圆柱土样的扭转试验，验证了Bingham 粘滞塑性流动定律对土的适用性，最早创立了土流变学。

在1953 年第三届国际土力学和基础工程会议( ICSMFE) 上，提出了蠕变变形直接或间接地对土力学的所有过程起作用，蠕变研究将影响土力学将来的发展，随后，广泛展开了对土体流变性的研究，取得了大量的成果，并成为土力学研究的热点。

土体流变性质研究可以从微观、细观或宏观表现展开。

土木建筑学院承担省部级以上科研项目

2010.01-2011.12
1.0
尹楠讲师
安徽省高校优秀青年基金
61
深井多圈管冻结壁融化温度场特征与工程应用研究（2011SQRL043）
2011.01-2012.12
1.0
张瑞博士
安徽省高校优秀青年基金
62
深冻结井壁高强高性能混杂纤维混凝土的试验研究（2011SQRL044ZD）
2011.01-2012.12
40.0
程桦教授
国家自然科学基金项目
10
加载速率﹑温度对岩石类材料动态断裂韧度影响的理论与试验研究及相关机理分析（50874004）
2009.01-2011.12
38.0
宫能平教授
国家自然科学基金项目
11
新型高威力煤矿许用水胶炸药研制（2007BAK28B02）
2007.01-2010.12
100.0
颜事龙教授
国家“十一五”支撑计划课题
12
煤矿深井大断面硬岩巷道高效掘进技术（2007BAK28B04）
2007.01-2010.12
100.0
傅菊根教授
国家“十一五”支撑计划课题
13
千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备研究（2008BAB33B00）
2008.01-2010.12
20.0
宗琦教授
国家“十一五”支撑计划课题
5.0
姚兆明副教授
安徽高校省级自然科学研究项目
46
巨厚表土层冻结井筒钢骨-钢板高强混凝土复合井壁结构研究（KJ2012A094）
2012.01-2013.12
5.0
蔡海兵副教授
安徽高校省级自然科学研究项目
47
主动式多级张拉无含侵混杂纤维布延性加固梁式结构研究（KJ2012A095）

211110637_地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值分析

DESIGN & CALCULATION设计计算地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值分析郑权恒，郑宝瑞，冯岩岩，武龙堂，刘如松（中冀建勘集团有限公司，河北石家庄 050227）［摘要］文章对盾构施工的控制原则、力学原理与邻近群桩动态预测进行了分析，基于实际工程开展了数值模拟分析，探究了分别处于穿越群桩以及穿越一般底层这两类情况下地铁盾构的土体位移状况，对比数值模拟分析结果并得出相关结论。

［关键词］地铁盾构；数值模拟；地表位移［中图分类号］U231+.3 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-554X（2023）04-0127-04 Numerical analysis of construction displacement of subway shield tunneling through buildings ZHENG Quan-heng，ZHENG Bao-rui，FENG Yan-yan，WU Long-tang，LIU Ru-song现今在我国有关地铁盾构隧道施工的相关研究比较丰富，尤其是有关地表沉降的研究，但是在这些研究中很少会考虑施工相关因素以及地质特性，通常都是以介质随机理论作为研究基础。

而在有关穿越高层建筑桩基托换的研究一般分析对象都是单桩或者单孔隧道，有关双线盾构施工力学的研究则大多依托于经验并不深入，在实际的施工活动中很难实现良好控制。

本文基于某地铁盾构隧道的施工状况，借助FLAC3D软件进行三维数值模拟分析，探究处于不同情况下地铁盾构的位移状况，对盾构隧道周围相关建筑物产生的影响作了评价，并针对施工安全控制工作提出了相关建议。

1 盾构施工控制原则1.1 盾构施工法在地铁隧道的施工中应用盾构法，因为是部分出土甚至全部不出土，所以地层会受到来自施工活动的较大影响进而会造成地表沉降的现象发生。

而发生地表沉降时具体沉降部位的分布与范围大小主要是受到盾构掘进的相关施工活动的控制。

一种将线性粘弹微分型本构方程应用到ABAQUS的方法_潘晓明

( 10)
松弛剪切模量可以表示为 Prony 级数的形式 , 即
n
G( t)= G∞ + ∑ Gi · ex p( -t/ τ i) .
i =1
( 11) ( 12)
比较式( 10) ,( 11) , 并进行归一化处理 , 可得 G( t)= G0 ·[ g1 · exp( -t/ τ 1)+g2 · ex p ( -t/ τ 2) ]. G ∞ = 0 , G0 = GM , g1 = 1 GK 1 GK ( -β ) , g2 = ( α - ) , ( α -β )η ′ K ( α -β) η ′ K 1 1 , τ 2 = . β α ( 13)
2 算例验证
验证算例为一个三维 C3D8 单元试件 , 如图 2 所示 .件长、宽、高均为 1 m , 试件底部固定 , 顶部受均布压力 p 进行蠕变试验数值模拟 , 以及施加恒定位移进行松弛试验数值模拟 . 材料基本参数 : EH 为 2. 0 M Pa , 泊松比 μ为 0 . 25 , E M 为 2 . 0 MP a , η M 为 21 . 6 M P a · 月 , EK 为 2 . 0 MP a , η K 为 21 . 6 M Pa · 月 . 通过式( 13) ～( 17) , 将微分型本构 Burger 模型、Merchant 模型及 Poy ningT hom son 模型参数转换为可供 ABAQUS 调用的输入参数 . ( 1)Burge r 模型的一维蠕变和一维松弛解析解为 ε ( t)= EK 1 +1 + 1( 1 -ex p( - t) )σ 0 , η M EK η K EM
第 31 卷第 5 期 2010 年 9 月
华侨大学学报 (自然科学版 ) Jour nal of H uaqiao U niver sity ( Na tur al Science)

【国家自然科学基金】_隧洞施工_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 动-静应力耦合 54 下穿交叉隧洞
1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
2011年科研热词隧洞深埋隧洞岩石力学 tbm 高地应力数值模拟锦屏ii级水电站监测微震监测岩爆黏弹塑性模型颗粒流隧道掘进机(tbm) 隧道快速无损检测隧道工程隧洞掘进机(tbm) 长距离引水隧洞锦屏二级水电站锦屏ⅱ水电站适应性输水隧洞软岩隧洞软岩调控策略裂隙岩体衬砌表面波探测脆性破坏能量指数结构面突泥突水稳定性分析离散元破碎带破坏模式监控量测瓦斯爆炸现场监测渗流-应力耦合混凝土质量流变泥岩水利工程极强岩爆本构模型有限元曹娥江引水工程时空效应时效变形早龄期混凝土施工预测模型推荐指数 4 4 4 4 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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动态仿真冷缝三维有限元三维地质模型 tsp203系统 tsp tbm施工 tbm h-k模型 abaqus
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
垂直地应力地质预测地质灾害地下水运移围岩反演分析原型观测厚度冷缝光面爆破下穿隧道上下楔形大掏槽一致性 tbm施工 markov过程

基于运动波壤中流理论与无限边坡稳定分析理论的滑坡预测模型

(1.福州大学土木工程学院，福建福州350108; 2.台湾海洋大学河海工程学系，台湾基隆20224)
摘要:滑坡往往发生在强降雨时期的陡峭山坡区域，建立滑坡预测模型是山坡地防灾重要策略之一。结合山坡
运动波壤中流理论与无限边坡稳定分析理论,构建了降雨型浅层滑坡的预测模型。首先，根据运动波壤中流理论
对坡面进行产汇流计算得到出口断面径流过程线及土壤蓄水量随时间与空间变化过程;然后，研究坡面出口处
JIN Booming , LIN Peng , LEE Kwantun
(1.College ofCivil Eng., Fuzhou Univ., Fuzhou 350108, China; 2.Dept. ofRiver and Harbor Eng., Taiwan Ocean Univ., Keelung 20224, China) Abstract: Landslides often occur in steep mountain areas during heavy rainstorms. Establishing landslide prediction models is one of the essen tial strategies for disaster prevention in mountain areas. The kinematic subsurface-flow approximation and the infinite-slope instability analysis were used to develop a rainfall-induced shallow landslide prediction model. Firstly, the runoff hydrograph and the temporal variation of soil water storage were obtained by calculating the runoff yield and concentration of slope according to the theory of the kinematic subsurface-flow approx imation. Then the temporal variation characteristics of saturated water level was studied. Finally, based on the theory of the infinite-slope instabil ity analysis, and the analyzed slope stability the temporal variation of factor of safety was calculated. The Namasia District in Kaohsiung of Taiwan was chosen as a studied area to test the applicability of the model. It was found that the predicted location of landslide occurrence during Typhoon Morakot is consistent with those obtained from satellite images, and the values of the calibrated model parameters are consistent with physical meanings, which shows that the physically based model has good reliability. Moreover, the variation of the slope factor of safety was analyzed by applying double-peak design hyetographs with different rainfall peaks. The result showed that when the rainfall increases, the subsur-

广西南宁市第三系膨胀岩土分布区地质灾害发育特征

天然状态下膨胀岩土处于不饱和状态非饱和膨胀岩土的抗剪强度随含水量变化而变化有关这方面的研究前人已做了不少的研究工作利用水分特征曲线来研究水分迁移对膨胀土的力学特性的影响缪林昌等提出了吸力对非饱和土强度的贡献观点非饱和土强度随吸力变化而变化吸力对膨胀土体的强度有较显著的影响土体中的含水量不同对应的吸力就不同含水量高吸力小饱和状态时吸力为零强度最低
表 !) 岩土体膨胀性指标表分类名称非膨胀性膨胀性弱中强分级标准 !?7 !?7 @ &’A & !?7 !&’A & &’ A " !?7" "+A "+ A " !?7" /’A !?7! /’A
根据《广西膨胀土地区工业与民用建筑勘察、设计、施工和维护条例》判别和分级，第三系膨胀岩土中，粘土质岩及其风化形成的粘土为"! 亚类；粉砂质粘土岩及其风化形成的粉质粘土为"$ 亚类。各类膨胀土的判别指标界限值见表 $，膨胀土的胀缩等级划分见表 ( 。
注：判别时如有一项指标不满足，则判为非膨胀土。表 ." 膨胀土胀缩性等级划分表胀缩指标胀缩等级强" 的中等的弱" 的胀缩总率 #/0 （%） ) *2 3 !2 3 4 *2 3 (2 1 4 !2 3 膨胀率 #/12 3 （%） ) 12 + 12 1 4 12 + 12 1 4 12 +
!" 前" 言
) ) 近年来南宁市第三系膨胀岩土分布区成为城市重点开发地区，而该区因人类工程活动引发的地质灾害频繁。据统计，从 !//’ 年以来本区发生地质灾害 (# 起，直接经济损失约 "!’* #+ 万元，成为南宁市地质灾害发生率最高、经济损失最严重的地区。

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其所对应的土体残余支护力也相应较小。盾构隧道施工引起地层损失过程中，由于土拱效应引起的竖向土压力减小这一现象已经得到了大量的工程实例和模型试验的证实，即竖向土拱效应。事实上，开挖面前方土体也极易形成水平拱，如图 4 所示。图 4 为数值计算过程中，松砂与紧砂盾构隧道掘进至 ∆s=1.5 mm 时模型土体颗粒接触力分布图。从中可看出，相同掘进速度和埋深比条件下，开挖面前方会形成水平拱，尤其是密实度较高的砂土，该现象较好地解释了图 3 中紧砂土体中残余支护力比松砂小的原因。显然，由于水平向土拱效应的影响，一定程度上抵消了开挖面前方部分土体侧压力，导致紧砂的极限支护力和残余支护力均比松砂小。由此可知，盾构隧道施工过程中，开挖面支护力是一个逐渐变化发展的过程，其大小与土体的密实度有密切关系。
第 37 卷 2015 年
第1期
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.37 No.1 Jan. 2015
DOI：10.11779/CJGE201501011
砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究
缪林昌，王正兴，石文博
表 1 宏细观参数对照表 Table 1 Parameters of materials 内摩擦角/(°) 30 35 40 45 颗粒摩擦系数松砂 0.41 0.50 0.70 0.90 紧砂 0.36 0.42 0.63 0.80
1
1.1
开挖面稳定的颗粒流模拟
Kirsch 室内模型试验简介
1.3
─────── 基金项目：国家自然科学基金项目（51278099）收稿日期：2014–04–02
第1期
缪林昌，等. 砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究
99
其进行了验证。Jancsecz 等[6]采用楔形体极限平衡分析模型对盾构隧道掘进过程中开挖面极限支护力进行了研究。Mollon 等[7]在 Chambon 等[8]在离心模型试验的基础上，采用多块体破坏模式对盾构隧道开挖面稳定性进行了研究。然而这些分析方法由于得不到具体的极限支护压力表达式，难以在工程实践中得到应用。 [9] 徐明等基于简便的极限平衡理论——三维楔形体分析模型对超大直径泥水盾构开挖面稳定性进行了研究，由于分析模型中假定了土体的滑裂面形态，使得其与实际情况有较大的出入。实际上，开挖面前方密实度较高的土体往往形成水平向土拱[10]，导致分析模型结果与实际情况有较大的出入。另一方面，目前利用数值模拟方法对开挖面进行研究主要还局限于基于连续介质力学的有限单元法，如 Vermeer 等[11]、李志华等[2]和高健等[12]。考虑到开挖面变形甚至坍塌过程中，土体变形属于大变形问题，显然利用有限元对该问题进行分析会引起较大的误差。胡欣雨等[13]采用颗粒流方法模拟盾构推进过程中开挖量与土体的密实度及开挖面压力的关联性。本文基于 Kirsch[14]室内模型试验，采用颗粒流模拟了相应室内模型试验，从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理。以 Anagnostou 等[15]楔形体模型为基础提出了改进的楔形体分析模型，并将理论解、数值计算值以及试验值进行了对比。研究砂土中盾构隧道掘进时土体密实度对开挖面极限支护力和残余支护力的影响规律，进而分析砂土中盾构隧道掘进时土体破坏区分布范围。
图 1 Kirsch 室内模型试验[13] Fig. 1 Kirsch’s laboratory model tests
模型试验设计了盾构隧道掘进装置，具体方法为：以透明有机玻璃为材料制作一半圆柱体活塞，通过活
室内模型试验过程中，由于模型箱侧壁、模拟盾构开挖的活塞基本可认为刚性，故模型建立时可利用颗粒流软件中的“Wall”命令建立模型箱模型和盾构模型，墙体法、切向刚度均为 2×108 N/m。为模拟模型箱侧壁和活塞的表面粗糙度，计算过程中给墙体赋予了较小的摩擦系数 0.2。考虑到计算效率，本文数值模拟过程中将三维室内模型试验简化为二维状态，二维颗粒流尺寸为 37.2 cm（长）×41.1 cm（高）。数值模型建立过程主要分两步，首先采用颗粒膨胀法生成整个颗粒流模型，松砂与紧砂模型分别生成的颗粒数目为 14880 与 19020 个，颗粒流模型重力平衡后，将整个计算模型速度场、位移场清零，随后建立盾构隧道开挖模型，具体方法为：删除开挖区域土体颗粒，用墙体建立盾构和衬砌模型。考虑到盾构隧道开挖是一个逐步推进的过程，本文研究的重点是隧道动态掘进过程中开挖面的破坏形态、开挖面极限支护力以及
颗粒流模型建立与模拟过程
Kirsch 室内隧道开挖试验如图 1 所示。模型箱尺寸为 37.2 cm（长）×28.0 cm（宽）×41.1 cm（高），内置砂土粒径大小分布为 0.1 ～ 2.0 mm ，平均粒径 d50=0.58 mm ，最小孔隙比 emin=0.42 ，最大孔隙比 emax=0.75，内摩擦角 =35°，重度为 18.2 kN/m3。
100
岩
土
工
程
学
报
2015 年
残余支撑力变化特征，故而在盾构开挖面前方布置了测量圆。颗粒流建模计算过程中，盾构隧道掘进分为四步，每步计算之前均使盾构机头向前推进 2 cm，并计算至系统平衡，再使盾构以 0.1 m/s 的速度后退模拟由盾构施工引起的地层损失，同时编制了盾构 “墙体” 平均支护力监测程序。颗粒流计算模型如图 2 所示。
Theoretical and numerical simulations of face stability around shield tunnels in sand
MIU Lin-chang1, WANG Zheng-xing2, SHI Wen-bo1
(1. Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Management Center of City Construction Projects, Nantong 226153, China)
塞的后退达到模拟隧道盾构开挖的目的。拟模拟隧道直径 D=10.0 cm ，隧道拱顶埋深与隧道直径比（C/D=1）。试验过程中分别考虑了紧砂（相对密度 Id =0.70）与松砂（相对密度 Id=0.33）两种填土状态下盾构隧道开挖面支护力的力学特征。 1.2 宏细观参数的标定 PFC2D 是通过一定数目的颗粒或颗粒簇模拟土体宏观力学行为的软件，迄今还没有能从细观力学指标直接反映宏观力学指标的关系公式。利用三轴数值试验，通过假定参数计算土体的力学行为，并与真实土体的力学行为进行对比，以此来确定颗粒流模拟土体所需要的细观参数值[15]。考虑到砂土刚度对计算结果影响较小，本文砂土颗粒细观刚度选取与文献[16]相同值：kn=2×107 N/m，ks=1×107 N/m。利用双轴数值试验建立细观颗粒摩擦系数与内摩擦角之间的关系。双轴数值标定试验过程为：①编制颗粒级配程序。考虑到计算的可行性和计算效率，将模型试验用砂粒径均放大 3.5 倍，颗粒密度为 2530 kg/m3，颗粒粒径服从 0～1 均匀分布；②基于室内模型试验土体全覆土重，设定双轴数值标定过程中围压分别为 20， 60， 100 kPa； ③设定颗粒间接触模型为线性接触模型，通过反复试算得到对应的细观参数（表 1）。
Abstract: The soil density is a key factor for the studies on the limit support pressure and the face stability operation during tunneling construction. Based on the Kirsch’s laboratory model tests, the PFC2D is employed to investigate the influence of soil density on the limit support pressure, residual support pressure and void ratio in the heading face. The failure mechanisms of the excavation face are investigated at the mesoscopic level. The failure behavior and arrange of the face stability of the shield tunnels in sand are analyzed. The improved wedge model is proposed as a method for calculating the limit support pressure of face. It may provide certain guidance to the stabilization of excavation face of shield tunnels. Key words: PFC2D; sand; tunneling; face stability; limit support pressure; improved wedge model
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引
言
近年来，由于各大中城市交通压力的增大以及土地资源的稀缺，地铁和地下通行隧道的修建成为解决这一难题的主要措施。盾构施工技术由于具有环境影响小、施工安全性高以及地层适应强等优点，已经成为城市地铁及隧道修建的主要方法。盾构隧道施工引起的邻近施工区地面沉陷和隆起问题与开挖面的稳定性有直接关系，表现为施工过程中盾构机对开挖面支护力过大时，地表易隆起破坏，而当开挖面支护压力过小时，又往往导致地表的沉陷。目前，国内外城市地铁隧道施工过程中，由于对开挖面支护不当造成的开挖面坍塌进而引起邻近建筑物损坏、埋地市政管线破裂事故时有发生。盾构隧道开挖面稳定性研究的关键在于支护力的确定，其影响因素多且复杂，包括土体工程地质条件、盾构掘进速度、隧道几何尺寸以及支护方式等因素。