• 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.
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.
CAO Liqiang, ZHANG Dingli, LI Xinyu, LI Ao, SUN Zhengyu. Analysis of Limit Support Pressure Due to Shield Tunnelling with a Shallow Overburden Under Seepage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University.
Citation: CAO Liqiang, ZHANG Dingli, LI Xinyu, LI Ao, SUN Zhengyu. Analysis of Limit Support Pressure Due to Shield Tunnelling with a Shallow Overburden Under Seepage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University.

浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

基金项目: 国家自然科学基金重点项目(51738002);国家重点研发计划(2017YFC0805401);中国铁路总公司科技研究开发计划(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: 14115304@bjtu.edu.cn

    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 a 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. 研究结果表明:施工对开挖面前方渗流场的扰动基本局限在三倍洞径以内,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:Mpa)

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

    图 2  $AB$ 线孔压解析解与数值解对比 ( $y = D$ 单位:Mpa)

    Figure 2.  Comparison between analytical solution and numerical solution of pore water pressure on line $AB$ $y = D$ unit:Mpa,)

    图 3  $MN$ 线孔压解析解与数值解对比(单位:Mpa)

    Figure 3.  Comparison between analytical solution and numerical solution of pore water pressure on line $MN$ (unit:Mpa)

    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 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  隧道几何参数及围岩力学参数

    Table  1.   Geometric parameters of tunnel and mechanics parameters of surrounding soil

    D/m C/m H/m c/kPa $\varphi $/(°) $\gamma $/(kg•m–3 ${\gamma _{{\rm{sat}}}}$/(kg•m–3
    5 5 5/10/15 1 30 1 611 1 920
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    表  2  各影响参数取值及主、被动极限支护压力敏感度因子

    Table  2.   Selection of parameters and its sensitivity to active and passive limit support pressures

    参数 取值 参数变化范围/m 敏感度因子
    主动 被动
    $D$ 10 m 5 m~15 m 0.66 0.94
    $C$ 10 m 5 m~15 m 0.08 1.44
    $H$ 5 m 0~10 m 0.24 0.19
    $\gamma $ 20 kN•m – 3 15 kN•m–3~25 kN•m–3 0.10 0.35
    ${\eta _\gamma }$ 0.525 0.4~0.65 0.41 0.17
    $\varphi $ 30° 5°~55° 0.05 0.42
    ${\eta _\varphi }$ 0.75 0.5~1.0 0.17 0.55
    $c$ 5 kPa 0 ~ 10 kPa 0.02 0.05
    ${\eta _c}$ 0.75 0.5~ 1.0 0.15 0.06
    $\Delta h$ 10 m 0~20 m 0.56 0.23
    $q$ 25 kPa 0 ~50 kPa 0.02 0.13
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    表  3  地层力学参数

    Table  3.   Mechanical parameters of soil

    土层编号 名称 饱和重度/(kN•m–3 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 渗透系数/(cm•s–1 侧压力系数
    (1) 杂填土 19.1 12.32 12.50 3.43 × 10–6 0.65
    (2) 粉质黏土 19.3 16.57 18.54 4.63 × 10–6 0.52
    (3) 粉质黏土 19.3 15.21 22.35 3.36 × 10–6 0.55
    (4) 粘质黏土 19.2 14.64 24.16 3.64 × 10–5 0.55
    (5) 粘质黏土 20.0 16.32 18.36 5.73 × 10–4 0.53
    (6) 粉质黏土 20.2 15.68 19.83 4.62 × 10–6 0.52
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-05
  • 修回日期:  2018-10-22
  • 网络出版日期:  2019-02-23

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