1、渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验20152015年年7 7月月1919日日汇报人：尹鑫晟汇报人：尹鑫晟指导老师：陈仁朋指导老师：陈仁朋p研究背景研究背景p盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制p稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验p结论结论p 开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：盾构盾构密封舱密封舱压力压力不足不足开挖面失稳开挖面失稳地表塌陷、危害临近建筑地表塌陷、危害临近建筑支护力支护力土压力土压力水压力水压力地表坍塌地表坍塌对邻近建筑
2、、管线造成危害对邻近建筑、管线造成危害施工安全事故施工安全事故+主动失稳主动失稳 极限支护力极限支护力杭州地铁杭州地铁4号线穿越新塘河塌陷事故号线穿越新塘河塌陷事故p 本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题l 土压平衡盾构土压平衡盾构l 高水头（越江跨河）稳态渗流条件高水头（越江跨河）稳态渗流条件l 高渗透性土层高渗透性土层FAhhh0开挖面受趋于开挖面受趋于隧道内的渗透力隧道内的渗透力开挖面失稳开挖面失稳有效支护力不足有效支护力不足l试验方法：试验方法：1g试验试验l理论方法：极限平衡法、极限分析法理论方法：极限平衡法、极限分析法l数值方法：有限元数值方
3、法：有限元(有限差分有限差分)p 高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性（Lee et al., 2001, 2003 ）Anagnostou&Kovari (1996)（Lee et al., 2003 ）（Strhle & Vermeer, 2010）p存在的问题存在的问题尚未充分认识尚未充分认识渗流条件下渗流条件下开挖开挖面失稳机理面失稳机理和和模式模式p 稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置 浙大研制的装置（国际上第一套此类试验装置）浙大研制的装置（国际上第一套此类试验装置）l主要构件包括主要构件包括 模型箱模型箱 模型盾构模型盾构
4、 伺服加载系统伺服加载系统 水位控制系统水位控制系统 储水箱储水箱装置实物图装置实物图p 稳态渗流下开挖面失稳试验装置稳态渗流下开挖面失稳试验装置l 实现了整套装置高实现了整套装置高g值下的防水（最大水压力达值下的防水（最大水压力达325kPa）硅胶皮硅胶皮防水密封胶防水密封胶乳胶管乳胶管铜丝铜丝内置橡胶条内置橡胶条O型圈型圈止水橡胶条止水橡胶条(a) 模型箱本身防水模型箱本身防水(b) 盾壳与模型箱左侧板连接处防水盾壳与模型箱左侧板连接处防水 (c) 盾壳与隔板之间防水盾壳与隔板之间防水(d) 隔板本身防水隔板本身防水(e) 轴力计防水轴力计防水p 稳态渗流下开挖面失稳试验装置稳态渗流下开挖
5、面失稳试验装置l 实现了试验过程水位的准确控制实现了试验过程水位的准确控制 蠕动泵实现供水的有效补给蠕动泵实现供水的有效补给 溢流孔保证上游水位面不变溢流孔保证上游水位面不变 电磁阀实现密封舱积水的及时排出电磁阀实现密封舱积水的及时排出蠕动泵蠕动泵排水管排水管电磁阀电磁阀溢流孔溢流孔p PIV测试技术测试技术互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移 简介：基于图像互相关分析的二维位移场测量技术简介：基于图像互相关分析的二维位移场测量技术 关键：数码照片、互相关算法关键：数码照片、互相关算法 用途：获得开挖面前方土体位移矢量场，揭示开挖面失稳模式用途：获得开挖
6、面前方土体位移矢量场，揭示开挖面失稳模式离心机中的离心机中的PIV设备设备佳能佳能G10相机相机p PIV测试误差测试误差 相机的电荷耦合器件图像传感器相机的电荷耦合器件图像传感器(CCD)与实际平面与实际平面非共面性非共面性 镜头的曲率镜头的曲率导致的径向和切向的镜头变形导致的径向和切向的镜头变形 光线通过模型箱的观察窗产生的光线通过模型箱的观察窗产生的折射折射 电荷耦合器件图像传感器电荷耦合器件图像传感器(CCD)产生象素的产生象素的不规则形状不规则形状图像空间位移图像空间位移实际空间位移：需标定获得实际空间位移：需标定获得14个转换参数个转换参数临时参考点临时参考点永久控制点永久控制点p
7、 试验方案试验方案p 试验材料试验材料 钱塘江砂质粉土钱塘江砂质粉土 (sat=19.2kN/m3, c=1kPa,=30, k=5.310-6m/s)10.10.011E-3020406080100 小于某粒径土质量百分比 (%)颗粒直径 (mm)d50=0.031mmp 模型地基制备模型地基制备 步骤步骤1：非饱和砂质粉土地基（：非饱和砂质粉土地基（ = 10%, =1.611103kg/m3）制备）制备(a) 铺细砾石垫层铺细砾石垫层 (b) 垫层上表面铺设反滤土工布垫层上表面铺设反滤土工布(c)洒入制备每层地基洒入制备每层地基（厚（厚25mm）所需砂质粉土）所需砂质粉土 (d) 夯击每
8、层洒入的夯击每层洒入的砂质粉土至指定密度砂质粉土至指定密度(e) 每层地基上表面抛毛处理每层地基上表面抛毛处理 (f) 埋设相应的孔隙水压力传感器埋设相应的孔隙水压力传感器p 模型地基制备模型地基制备 步骤步骤2：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）（通水速率（通水速率0.4L/h，饱和时间，饱和时间5天）天）模型箱模型箱大型大型饱和罐饱和罐储水罐储水罐真空表真空表(a) 模型箱吊入大型饱和罐模型箱吊入大型饱和罐(b) 抽真空、模型底部通水饱和抽真空、模型底部通水饱和佳能佳能G10相机相机网络摄像头网络摄像头p 传感器及观测装置传感器及观测装置PIV测试系
9、统硬件部分测试系统硬件部分LED灯带灯带 PIV1套：套：获得隧道对称面土获得隧道对称面土体位移矢量体位移矢量场场 孔压计孔压计3只：测试开挖面前方孔只：测试开挖面前方孔压压 LVDT1只：测试开挖面只：测试开挖面水平位移水平位移 轴力轴力计计1只：测试开挖面只：测试开挖面支持力支持力0246810048121620 实测值 近似值面板盾壳摩擦力f /N开挖面位移S/Dm /%50g下标定下标定透水面板透水面板盾壳盾壳p 主要试验过程主要试验过程l 将模型装置放入离心机吊篮并固定，开将模型装置放入离心机吊篮并固定，开始传感器数据采集；始传感器数据采集；l 打开流量泵和电磁阀供排水，离心加速打开
10、流量泵和电磁阀供排水，离心加速度逐渐提高到度逐渐提高到50g并稳定并稳定20min30min；l 当开挖面前方形成稳态渗流时（开挖面当开挖面前方形成稳态渗流时（开挖面前方孔压计读数基本稳定），逐渐后撤开前方孔压计读数基本稳定），逐渐后撤开挖面。当开挖面水平位移挖面。当开挖面水平位移 s 6 mm时，开时，开挖面后撤速度挖面后撤速度 = 0.2 mm/min；当；当6 mm s 10 mm时，时， = 0.4 mm/min；当；当s = 10 mm时，时，v = 0; l 离心加速度由离心加速度由50g逐渐减少至逐渐减少至0，将模型，将模型装置吊出离心机吊篮。装置吊出离心机吊篮。p 失稳过程失稳
11、过程(C/D=1,Hw/D=2)高水头下盾构开挖面稳定性研究高水头下盾构开挖面稳定性研究模型侧面模型侧面模型顶面模型顶面l 第一阶段：第一阶段：s , 初始支护力初始支护力 极限支护力极限支护力 （此时（此时s 1.5%Dm）l 第二阶段：第二阶段：s继续继续 , 支护力近似线性缓慢增大支护力近似线性缓慢增大02468100306090120Plim=56.35kPaPmin(Plim) C/D=1 Hw/D=1第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P/ kPa开挖面位移S/Dm / %SFP=(8F)/(D2m)minP0P024681004080120160200Pmin(Plim)Plim=7
12、6.49kPa C/D=1 Hw/D=2第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P / kPa开挖面位移S/Dm / %SFP=(8F)/(D2m)024681004080120160200Plim=93.39kPaPmin(Plim) C/D=1 Hw/D=3第二阶段第一阶段开挖面有效支护力P / kPa开挖面位移S/Dm / %SFP=(8F)/(D2m)Hw/D=1Hw/D=2Hw/D=312340306090120 Plim / kPah/D 本文离心模型试验本文离心模型试验 极限平衡法极限平衡法(Anagnostou&Kovari 1996) 上限解上限解(Lee等等 2003)极限有效支护
13、力比较极限有效支护力比较试验结果：开挖面有效支护力变化规律试验结果：开挖面有效支护力变化规律(a)(b)(c)(a)(b)(c)(a)(b)(a)(c)(b)(a) p 试验结果：开挖面渐进失稳模式试验结果：开挖面渐进失稳模式棱柱体棱柱体l 极限状态极限状态(Plim)：“楔形体楔形体+棱柱体棱柱体”破坏模式，破坏区扩展到地表破坏模式，破坏区扩展到地表l 极限状态以后：逐渐呈现极限状态以后：逐渐呈现“楔形体楔形体+棱台体棱台体”破坏模式破坏模式楔形体楔形体棱台体棱台体楔形体楔形体Hw/D=1Hw/D=3(c)(b)(a)(a)(c)(b)(a)(c)0100020003000400050000
14、255075100极限状态(P=Plim)开始转机面板停止后撤 面板开始后撤孔压u / kPa时间 t / s X=0.25D X=0.75D X=1.25DHw/D=1Hw/D=10.00.51.01.52.00255075100盾构轴线深度远场静水压力 极限状态孔压ulim / kPa距开挖面相对水平距离X/Dm 试验过程中开挖面前方孔压变化试验过程中开挖面前方孔压变化极限状态时开挖面前方孔压极限状态时开挖面前方孔压l 失稳过程中开挖面前方孔压变化较小，表明整个试验过程中开挖面前方失稳过程中开挖面前方孔压变化较小，表明整个试验过程中开挖面前方为稳态渗流为稳态渗流l 渗流主要发生在开挖面前方
15、渗流主要发生在开挖面前方0.75Dm范围内范围内p 试验结果：开挖面前方孔压分布试验结果：开挖面前方孔压分布 稳态稳态渗流渗流下，开挖下，开挖面有效面有效支护压力随着支护压力随着开挖面位移的逐渐增大开挖面位移的逐渐增大，迅速，迅速减小至极限值减小至极限值 ，当位移的，当位移的继续继续增大时，增大时，有效有效支护压力缓慢支护压力缓慢线性增线性增大。大。 相同相同隧道埋深比，开挖面极限有效支护压力隧道埋深比，开挖面极限有效支护压力 随远场水头与盾构密随远场水头与盾构密封舱水头差封舱水头差 增大而线性增大。增大而线性增大。 极限极限状态时开挖面前方呈现状态时开挖面前方呈现 “楔形体楔形体+棱柱体棱柱体”的失稳的失稳区，此后失区，此后失稳稳区的区的“棱柱体棱柱体”逐渐发展到逐渐发展到“棱台体棱台体” 。 稳态渗流下，孔压沿开挖面向远场逐渐增大，当距开挖面水平距离大稳态渗流下，孔压沿开挖面向远场逐渐增大，当距开挖面水平距离大于于0.75Dm后后，孔压几乎保持不变且接近远场静水压力，孔压几乎保持不变且接近远场静水压力。minPminPh汇报结束，谢谢各位专家！汇报结束，谢谢各位专家！Thanks for your attention！
