• ISSN 0258-2724
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浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

曹利强 张顶立 李新宇 李奥 孙振宇

曹利强, 张顶立, 李新宇, 李奥, 孙振宇. 浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 507-515. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180482
引用本文: 曹利强, 张顶立, 李新宇, 李奥, 孙振宇. 浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 507-515. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180482
CAO Liqiang, ZHANG Dingli, LI Xinyu, LI Ao, SUN Zhenyu. Analysis of Limit Support Pressure due to Shield Tunnelling with Shallow Overburden under Seepage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 507-515. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180482
Citation: CAO Liqiang, ZHANG Dingli, LI Xinyu, LI Ao, SUN Zhenyu. Analysis of Limit Support Pressure due to Shield Tunnelling with Shallow Overburden under Seepage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 507-515. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180482

浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180482
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0805401);国家自然科学基金重点资助项目(51738002);中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2017G007-B)
详细信息
    作者简介:

    曹利强(1991—),男,博士研究生,研究方向为城市地下工程开发灾变控制,E-mail:clq02010@163.com

    通讯作者:

    张顶立(1963—),男,教授,研究方向为隧道及地下工程等,E-mail:Zhang-dingli@263.net

  • 中图分类号: U451

Analysis of Limit Support Pressure due to Shield Tunnelling with Shallow Overburden under Seepage

  • 摘要: 基于半承压水模型综合考虑土压盾构穿越渗透性地层时覆土层及下卧层的渗透性,推导了盾构穿越层中沿掘进方向的水头分布的解析解,将其与现有的二维渗流场的解析解结合扩展为相应的三维近似解. 同时采用数值仿真得到稳态渗流条件下浅埋渗透性地层的主、被动破坏模式,建立了相应的柱体+弧形转角体模型,将前述三维渗流场引入该模型,通过力矩平衡法得到了相应两种极限状态下开挖面支护压力的计算公式,与既有结果进行对比,此计算方法更接近数值解. 研究发现:施工对开挖面前方渗流场的扰动基本局限在3倍洞径以内,主、被动极限支护压力的值随水头差的增大均线性增加,盾构直径和水头差是影响主动极限支护压力的主要因素,拱顶埋深与盾构直径是影响被动极限支护压力的主要因素,实际施工过程中,支护压力值应尽可能接近水土分算下的土体原始地层侧压力值,并在其附近(最好在其上方)小幅度波动,波动范围应以变形控制标准为依据.

     

  • 图 1  $y = D$处孔隙水压力分布(单位:kPa)

    Figure 1.  Distribution of pore water pressure at $y = D$(unit:kPa)

    图 2  AB线孔压解析解与数值解对比

    Figure 2.  Comparison between analytical solution and numerical solution of pore water pressure on line AB

    图 3  $MN$线孔压解析解与数值解对比

    Figure 3.  Comparison between analytical solution and numerical solution of pore water pressure on line $MN$

    图 4  模型最大塑性剪切应变率(变形放大50倍)

    Figure 4.  Maximum plastic shearing strain rate of numerical model(The deformation is magnified 50 times)

    图 5  渗流条件下三维破坏模型

    Figure 5.  Three-dimensional failure model under seepage

    图 6  极限支护压力与水头差的关系

    Figure 6.  Relationship between limit support stress and water head difference

    图 7  盾构位置及地层分布

    Figure 7.  Location of tunnel and layout of soils

    图 8  各计算断面支护压力对比结果

    Figure 8.  Analysis results for support pressure in the project

    表  1  各影响参数取值及主、被动极限支护压力敏感度因子

    Table  1.   Selection of parameters and its sensitivity to active and passive limit support pressures

    参数取值参数变化范围敏感度因子
    主动被动
    $D$10 m5 ~15 m0.660.94
    $C$10 m5 ~15 m0.081.44
    $H$5 m0~10 m0.240.19
    $\gamma $20 kN/m 315~25 kN/m30.100.35
    ${\eta _\gamma }$0.5250.40~0.650.410.17
    $\varphi $30°5°~55°0.050.42
    ${\eta _\varphi }$0.750.5~1.00.170.55
    $c$5 kPa0 ~ 10 kPa0.020.05
    ${\eta _c}$0.750.5~ 1.00.150.06
    $\Delta h$10 m0~20 m0.560.23
    $q$25 kPa0 ~50 kPa0.020.13
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    表  2  地层力学参数

    Table  2.   Mechanical parameters of soil

    土层编号名称饱和重度/(kN•m–3粘聚力/kPa内摩擦角/(°)渗透系数/(cm•s–1侧压力系数
    (1)杂填土19.112.3212.503.43 × 10–60.65
    (2)粉质黏土19.316.5718.544.63 × 10–60.52
    (3)粉质黏土19.315.2122.353.36 × 10–60.55
    (4)粘质黏土19.214.6424.163.64 × 10–50.55
    (5)粘质黏土20.016.3218.365.73 × 10–40.53
    (6)粉质黏土20.215.6819.834.62 × 10–60.52
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  • 王梦恕. 中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路[J]. 隧道建设,2014,34(3): 179-187.

    WANG Mengshu. Tunneling by TNM/shield in China:state of-art,problems and proposals[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(3): 179-187.
    黄正荣,朱伟,梁精华,等. 盾构法隧道开挖面极限支护压力研究[J]. 土木工程学报,2006,39(10): 112-116. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.10.019

    HUANG Zhengrong, ZHU Wei, LIANG Jinghua, et al. A study on the limit support pressure at excavation face of shield tunneling[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(10): 112-116. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.10.019
    ANAGNOSTOU G, KOVÁRI K. Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 1996, 11(2): 165-173.
    李鹏飞,张顶立,赵勇. 渗流作用下海底隧道开挖面围岩稳定性分析[J]. 中国公路学报,2013,26(3): 130-136. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2013.03.015

    LI Pengfei, ZHANG Dingli, ZHAO Yong. Stability analysis of subsea tunnel face considering seepage[J]. China Journal of Highway and Transport, 2013, 26(3): 130-136. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2013.03.015
    PERAZZELLI P, LEONE T, ANAGNOSTOU G. Tunnel face stability under seepage flow conditions[J]. Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2014, 43: 459-469.
    LEE I M, NAM S W, AHN J H. Effect of seepage forces on tunnel face stability[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(2): 342-350.
    LECA E, DORMIEUX L. Upper and lower bound solutions for the face stability of shallow circular tunnels in frictional material[J]. Géotechnique, 1990, 40(4): 581-606. doi: 10.1680/geot.1990.40.4.581
    王浩然,黄茂松,吕玺琳,等. 考虑渗流影响的盾构隧道开挖面稳定上限分析[J]. 岩土工程学报,2013,35(9): 1696-1704.

    WANG Haoran, HUANG Maosong, LÜ Xilin, et al. Upper-bound limit analysis of stability of shield tunnel face considering seepage[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(9): 1696-1704.
    孙振宇,张顶立,房倩,等. 浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律[J]. 中国公路学报,2018,31(9): 84-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.09.010

    SUN Zhenyu, ZHANG Dingli, FANG Qian, et al. Distribution of surrounding rock pressure of shallow highway tunnels with small spacing[J]. China Journal of Highway and Transport, 2018, 31(9): 84-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.09.010
    刘维. 饱和成层土中盾构掘进面稳定理论性研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2013
    皇甫明. 暗挖海底隧道围岩稳定性及支护结构受力特征的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2005
    王俊杰,郝建云. 土体静止侧压力系数定义及其确定方法综述[J]. 水电能源科学,2013(7): 111-114.

    WANG Junjie, HAO Jianyun. Definition of coefficient of earth pressure and methods review[J]. Water Resources and Power, 2013(7): 111-114.
    台启民,张顶立,房倩,等. 软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J]. 岩石力学与工程学报,2016,35(1): 109-118.

    TAI Qiming, ZHANG Dingli, FANG Qian, et al. Determination of advance supports in tunnel construction under unfavourable rock conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(1): 109-118.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-06
  • 修回日期:  2018-10-22
  • 网络出版日期:  2019-03-12
  • 刊出日期:  2019-06-01

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