泥水盾構開挖面穩(wěn)定性研究
發(fā)布時間：2021-01-06 12:52
針對不斷推進越江海大斷面隧道建設的現狀,分析了盾構開挖面穩(wěn)定性對盾構安全掘進的重要性,同時對泥水盾構開挖面穩(wěn)定的研究方法、研究理論以及擬解決的主要問題等方面進行分析。通過綜述國內外泥水盾構隧道開挖面穩(wěn)定性的研究發(fā)展歷程及近期新的發(fā)展趨勢,討論了已有的泥水盾構開挖面失穩(wěn)經典理論及模型試驗的局限性,介紹了泥水劈裂失穩(wěn)的判定標準和模型試驗等相關研究,同時分析了泥膜及刀盤對開挖面穩(wěn)定的作用,最后展望了水下隧道,特別是高水壓越江海大直徑泥水盾構開挖面穩(wěn)定性問題未來的研究及發(fā)展方向。研究主要從經典理論、泥水劈裂和泥膜等方面討論盾構開挖面穩(wěn)定等問題,也涉及合理覆土厚度等工程問題。研究結果表明:由于泥水盾構本身的復雜性以及地層的多樣性,使盾構與土相互作用下的開挖面穩(wěn)定問題的研究更為困難;尚沒有更具普遍意義的泥水動態(tài)成膜評價標準以及刀盤對開挖面的支護作用的研究成果,特別是高水壓、復雜地層等條件下的開挖面穩(wěn)定問題屬交叉領域頗多,更需深入研究,方可為工程所用。
【文章來源】：中國公路學報. 2017,30(08)北大核心
【文章頁數】：14 頁
【部分圖文】：
圖１刀具前端到盾殼前端距離示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍ
密切相關，即盾構掘進中如果劈裂發(fā)生后，隨著盾構繼續(xù)掘進，盾殼到達劈裂口，將劈裂口堵死，劈裂則會停止伸展。在切削面的劈裂發(fā)生后盾構掘進的最長距離（圖１），即最大的距離為刀具前端到盾構殼體的前端的距離Ｌ。因此，劈裂發(fā)生口的泥水壓力的作用時間ｔ０可表示為ｔ０＝Ｌ／Ｖｓ（２）式中：Ｖｓ為盾構機的掘進速度。另一方面，劈裂發(fā)生口的周長Ｌｔ可表示為Ｌｔ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｔａｎ（?）槡ｂ（３）式中：ｔ為劈裂繼續(xù)時間；?為圖２所示的斜向上劈裂伸展的角度；Ｄ為盾構直徑；ｑｃ為劈裂伸展泥水流量；ｂ為劈裂開展寬度；Ｈ為覆土厚度。圖２中：θ為劈裂面與盾構機上表面的夾角；Ｓ為泥水劈裂到達地表的距離。圖１刀具前端到盾殼前端距離示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍＣｕｔｔｅｒＰｏｉｎｔｔｏＳｋｉｎＰｌａｔｅＰｏｉｎｔ圖２斜向上劈裂圖像Ｆｉｇ．２ＳｈａｐｅｓｏｆＯｂｌｉｑｕｅｌｙＵｐｗａｒｄＦｒａｃｔｕｒｅ距離Ｌｔ隨著時間的增加而增加，到達地表時為Ｌｓ，這時發(fā)生泥水噴發(fā)。如果設劈裂發(fā)生伸展到地面的時問為ｔｓ，則劈裂到達地面時發(fā)生口的周長Ｌｓ可表示為Ｌｓ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｓｔａｎ（?）槡ｂ（４）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）將ｔｓ與ｔ０進行比較，可判斷是否能發(fā)生泥水噴發(fā)現象。即ｔｓ＜ｔ０時，發(fā)生劈裂失穩(wěn)現象；ｔｓ＞ｔ０時，劈裂失穩(wěn)現象將不會發(fā)生。３．３泥水劈裂試驗研究３．３．
）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）將ｔｓ與ｔ０進行比較，可判斷是否能發(fā)生泥水噴發(fā)現象。即ｔｓ＜ｔ０時，發(fā)生劈裂失穩(wěn)現象；ｔｓ＞ｔ０時，劈裂失穩(wěn)現象將不會發(fā)生。３．３泥水劈裂試驗研究３．３．１室內泥水劈裂試驗在實際泥水平衡盾構掘進施工中為防止泥水劈裂，可以使用式（６）作為泥水壓力設定上限［５２］，也可以鉆取實際地層土樣，使用室內泥水劈裂試驗［４］進行地層劈裂抗力測定。室內泥水劈裂儀如圖３所示（圖３中σｖ為豎向壓力，σｈ為水平圍壓）。式（６）可表示為Ｐｆ＝［１＋ｓｉｎ（φ）］σ３＋ｃｃｏｓ（φ）（６）式中：ｃ為黏聚力；φ為土體內摩擦角。圖３室內泥水劈裂儀Ｆｉｇ．３ＳｌｕｒｒｙＦｒａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ國內外關于劈裂伸展方面的研究成果甚少。實際的劈裂現象與室內小型三軸劈裂試驗不同，劈裂發(fā)生后會有一個伸展的過程，由于現場試驗有許多不確定因素以及試驗工程條件的限制，進行盾構掘進泥水劈裂模型試驗可以更加全面的探明盾構開挖面處泥水劈裂發(fā)生機理和控制原理。盾構掘進泥水劈裂模型試驗研究發(fā)現［５４］：當地層為深埋地層時，劈裂一般是鉛直方向發(fā)生；當地層為淺埋地層時，劈裂是斜向上發(fā)生。圖４為文獻［５４］中的室內掘進試驗結果，結果表明圖４中Ａ區(qū)２９第８期袁大軍，等：泥水盾構開挖面穩(wěn)定性研究
【參考文獻】：
期刊論文
[1]粉砂地層盾構隧道開挖面穩(wěn)定性離心試驗及數值模擬[J]. 呂璽琳,周運才,李馮締. 巖土力學. 2016(11)
[2]泥水盾構帶壓開艙時泥膜性質對其閉氣性的影響研究[J]. 張寧,姚占虎,朱偉,閔凡路,姜騰. 現代隧道技術. 2015(04)
[3]考慮滲流條件下開挖面失穩(wěn)離心試驗研究[J]. 陳仁朋,尹鑫晟,湯旅軍,陳云敏. 巖土力學. 2015(S1)
[4]泥水盾構掘進過程中的泥水劈裂現象現場試驗研究（英文）[J]. Xue-yan LIU,Da-jun YUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2014(07)
[5]泥水盾構開艙時的泥膜閉氣性能及改性方法[J]. 姜騰,朱偉,閔凡路,魏代偉. 地下空間與工程學報. 2014(03)
[6]砂土地層泥水盾構泥膜形成時間及泥漿壓力轉化率的試驗研究[J]. 魏代偉,朱偉,閔凡路. 巖土力學. 2014(02)
[7]泥水劈裂試驗伸展現象的力學分析[J]. 劉學彥,袁大軍. 巖石力學與工程學報. 2013(07)
[8]密實砂土地層盾構隧道開挖面失穩(wěn)離心模型試驗研究[J]. 湯旅軍,陳仁朋,尹鑫晟,孔令剛,黃博,陳云敏. 巖土工程學報. 2013(10)
[9]泥水盾構泥膜形成時開挖面地層孔壓變化規(guī)律研究[J]. 閔凡路,朱偉,魏代偉,夏勝全. 巖土工程學報. 2013(04)
[10]盾構隧道開挖面穩(wěn)定極限理論研究[J]. 呂璽琳,王浩然,黃茂松. 巖土工程學報. 2011(01)
碩士論文
[1]砂卵石地層泥水盾構泥漿特性對開挖面穩(wěn)定性影響研究[D]. 葉旭洪.北京交通大學 2008
本文編號：2960603
【文章來源】：中國公路學報. 2017,30(08)北大核心
【文章頁數】：14 頁
【部分圖文】：
圖１刀具前端到盾殼前端距離示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍ
密切相關，即盾構掘進中如果劈裂發(fā)生后，隨著盾構繼續(xù)掘進，盾殼到達劈裂口，將劈裂口堵死，劈裂則會停止伸展。在切削面的劈裂發(fā)生后盾構掘進的最長距離（圖１），即最大的距離為刀具前端到盾構殼體的前端的距離Ｌ。因此，劈裂發(fā)生口的泥水壓力的作用時間ｔ０可表示為ｔ０＝Ｌ／Ｖｓ（２）式中：Ｖｓ為盾構機的掘進速度。另一方面，劈裂發(fā)生口的周長Ｌｔ可表示為Ｌｔ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｔａｎ（?）槡ｂ（３）式中：ｔ為劈裂繼續(xù)時間；?為圖２所示的斜向上劈裂伸展的角度；Ｄ為盾構直徑；ｑｃ為劈裂伸展泥水流量；ｂ為劈裂開展寬度；Ｈ為覆土厚度。圖２中：θ為劈裂面與盾構機上表面的夾角；Ｓ為泥水劈裂到達地表的距離。圖１刀具前端到盾殼前端距離示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍＣｕｔｔｅｒＰｏｉｎｔｔｏＳｋｉｎＰｌａｔｅＰｏｉｎｔ圖２斜向上劈裂圖像Ｆｉｇ．２ＳｈａｐｅｓｏｆＯｂｌｉｑｕｅｌｙＵｐｗａｒｄＦｒａｃｔｕｒｅ距離Ｌｔ隨著時間的增加而增加，到達地表時為Ｌｓ，這時發(fā)生泥水噴發(fā)。如果設劈裂發(fā)生伸展到地面的時問為ｔｓ，則劈裂到達地面時發(fā)生口的周長Ｌｓ可表示為Ｌｓ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｓｔａｎ（?）槡ｂ（４）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）將ｔｓ與ｔ０進行比較，可判斷是否能發(fā)生泥水噴發(fā)現象。即ｔｓ＜ｔ０時，發(fā)生劈裂失穩(wěn)現象；ｔｓ＞ｔ０時，劈裂失穩(wěn)現象將不會發(fā)生。３．３泥水劈裂試驗研究３．３．
）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）將ｔｓ與ｔ０進行比較，可判斷是否能發(fā)生泥水噴發(fā)現象。即ｔｓ＜ｔ０時，發(fā)生劈裂失穩(wěn)現象；ｔｓ＞ｔ０時，劈裂失穩(wěn)現象將不會發(fā)生。３．３泥水劈裂試驗研究３．３．１室內泥水劈裂試驗在實際泥水平衡盾構掘進施工中為防止泥水劈裂，可以使用式（６）作為泥水壓力設定上限［５２］，也可以鉆取實際地層土樣，使用室內泥水劈裂試驗［４］進行地層劈裂抗力測定。室內泥水劈裂儀如圖３所示（圖３中σｖ為豎向壓力，σｈ為水平圍壓）。式（６）可表示為Ｐｆ＝［１＋ｓｉｎ（φ）］σ３＋ｃｃｏｓ（φ）（６）式中：ｃ為黏聚力；φ為土體內摩擦角。圖３室內泥水劈裂儀Ｆｉｇ．３ＳｌｕｒｒｙＦｒａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ國內外關于劈裂伸展方面的研究成果甚少。實際的劈裂現象與室內小型三軸劈裂試驗不同，劈裂發(fā)生后會有一個伸展的過程，由于現場試驗有許多不確定因素以及試驗工程條件的限制，進行盾構掘進泥水劈裂模型試驗可以更加全面的探明盾構開挖面處泥水劈裂發(fā)生機理和控制原理。盾構掘進泥水劈裂模型試驗研究發(fā)現［５４］：當地層為深埋地層時，劈裂一般是鉛直方向發(fā)生；當地層為淺埋地層時，劈裂是斜向上發(fā)生。圖４為文獻［５４］中的室內掘進試驗結果，結果表明圖４中Ａ區(qū)２９第８期袁大軍，等：泥水盾構開挖面穩(wěn)定性研究
【參考文獻】：
期刊論文
[1]粉砂地層盾構隧道開挖面穩(wěn)定性離心試驗及數值模擬[J]. 呂璽琳,周運才,李馮締. 巖土力學. 2016(11)
[2]泥水盾構帶壓開艙時泥膜性質對其閉氣性的影響研究[J]. 張寧,姚占虎,朱偉,閔凡路,姜騰. 現代隧道技術. 2015(04)
[3]考慮滲流條件下開挖面失穩(wěn)離心試驗研究[J]. 陳仁朋,尹鑫晟,湯旅軍,陳云敏. 巖土力學. 2015(S1)
[4]泥水盾構掘進過程中的泥水劈裂現象現場試驗研究（英文）[J]. Xue-yan LIU,Da-jun YUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2014(07)
[5]泥水盾構開艙時的泥膜閉氣性能及改性方法[J]. 姜騰,朱偉,閔凡路,魏代偉. 地下空間與工程學報. 2014(03)
[6]砂土地層泥水盾構泥膜形成時間及泥漿壓力轉化率的試驗研究[J]. 魏代偉,朱偉,閔凡路. 巖土力學. 2014(02)
[7]泥水劈裂試驗伸展現象的力學分析[J]. 劉學彥,袁大軍. 巖石力學與工程學報. 2013(07)
[8]密實砂土地層盾構隧道開挖面失穩(wěn)離心模型試驗研究[J]. 湯旅軍,陳仁朋,尹鑫晟,孔令剛,黃博,陳云敏. 巖土工程學報. 2013(10)
[9]泥水盾構泥膜形成時開挖面地層孔壓變化規(guī)律研究[J]. 閔凡路,朱偉,魏代偉,夏勝全. 巖土工程學報. 2013(04)
[10]盾構隧道開挖面穩(wěn)定極限理論研究[J]. 呂璽琳,王浩然,黃茂松. 巖土工程學報. 2011(01)
碩士論文
[1]砂卵石地層泥水盾構泥漿特性對開挖面穩(wěn)定性影響研究[D]. 葉旭洪.北京交通大學 2008
本文編號：2960603
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