滲流條件下盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)課件

滲流條件下盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)2015年7月19日匯報(bào)人：尹鑫晟指導(dǎo)老師：陳仁朋匯報(bào)提綱研究背景盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)結(jié)論研究背景開挖面穩(wěn)定性問題是盾構(gòu)施工中的難題：盾構(gòu)密封艙壓力不足→開挖面失穩(wěn)→地表塌陷、危害臨近建筑支護(hù)力土壓力水壓力地表坍塌對(duì)鄰近建筑、管線造成危害施工安全事故+主動(dòng)失穩(wěn)<極限支護(hù)力杭州地鐵4號(hào)線穿越新塘河塌陷事故本文研究：工程中典型的開挖面穩(wěn)定性問題土壓平衡盾構(gòu)高水頭（越江跨河）穩(wěn)態(tài)滲流條件高滲透性土層開挖面受趨于隧道內(nèi)的滲透力開挖面失穩(wěn)有效支護(hù)力不足研究背景試驗(yàn)方法：1g試驗(yàn)理論方法：極限平衡法、極限分析法數(shù)值方法：有限元(有限差分)高水頭穩(wěn)態(tài)滲流下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性（Leeetal.,2001,2003）Anagnostou&Kovari(1996)（Leeetal.,2003）（Str?hle&Vermeer,2010）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題尚未充分認(rèn)識(shí)滲流條件下開挖面失穩(wěn)機(jī)理和模式穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)裝置浙大研制的裝置（國(guó)際上第一套此類試驗(yàn)裝置）盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制主要構(gòu)件包括模型箱模型盾構(gòu)伺服加載系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)儲(chǔ)水箱裝置實(shí)物圖穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面失穩(wěn)試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了整套裝置高g值下的防水（最大水壓力達(dá)325kPa）盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制硅膠皮防水密封膠乳膠管銅絲內(nèi)置橡膠條O型圈止水橡膠條(a)模型箱本身防水(b)盾殼與模型箱左側(cè)板連接處防水(c)盾殼與隔板之間防水(d)隔板本身防水(e)軸力計(jì)防水穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面失穩(wěn)試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程水位的準(zhǔn)確控制蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)供水的有效補(bǔ)給溢流孔保證上游水位面不變電磁閥實(shí)現(xiàn)密封艙積水的及時(shí)排出蠕動(dòng)泵排水管電磁閥溢流孔盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制PIV測(cè)試技術(shù)互相關(guān)函數(shù)的峰值對(duì)應(yīng)于土體間的相對(duì)位移簡(jiǎn)介：基于圖像互相關(guān)分析的二維位移場(chǎng)測(cè)量技術(shù)關(guān)鍵：數(shù)碼照片、互相關(guān)算法用途：獲得開挖面前方土體位移矢量場(chǎng)，揭示開挖面失穩(wěn)模式盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制離心機(jī)中的PIV設(shè)備佳能G10相機(jī)PIV測(cè)試誤差相機(jī)的電荷耦合器件圖像傳感器(CCD)與實(shí)際平面非共面性鏡頭的曲率導(dǎo)致的徑向和切向的鏡頭變形光線通過模型箱的觀察窗產(chǎn)生的折射電荷耦合器件圖像傳感器(CCD)產(chǎn)生象素的不規(guī)則形狀圖像空間位移→實(shí)際空間位移：需標(biāo)定獲得14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)裝置研制臨時(shí)參考點(diǎn)永久控制點(diǎn)穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料錢塘江砂質(zhì)粉土(γsat=19.2kN/m3,c=1kPa,φ=30°,k=5.3×10-6m/s)模型地基制備步驟1：非飽和砂質(zhì)粉土地基（ω=10%,ρ=1.611×103kg/m3）制備(a)鋪細(xì)礫石墊層

(b)墊層上表面鋪設(shè)反濾土工布(c)灑入制備每層地基（厚25mm）所需砂質(zhì)粉土

(d)夯擊每層灑入的砂質(zhì)粉土至指定密度(e)每層地基上表面拋毛處理(f)埋設(shè)相應(yīng)的孔隙水壓力傳感器穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鼗苽洳襟E2：非飽和砂質(zhì)粉土地基飽和（抽真空飽和）（通水速率0.4L/h，飽和時(shí)間5天）模型箱大型飽和罐儲(chǔ)水罐真空表(a)模型箱吊入大型飽和罐(b)抽真空、模型底部通水飽和穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)佳能G10相機(jī)網(wǎng)絡(luò)攝像頭傳感器及觀測(cè)裝置PIV測(cè)試系統(tǒng)硬件部分LED燈帶穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)PIV1套：獲得隧道對(duì)稱面土體位移矢量場(chǎng)孔壓計(jì)3只：測(cè)試開挖面前方孔壓LVDT1只：測(cè)試開挖面水平位移軸力計(jì)1只：測(cè)試開挖面支持力

透水面板—盾殼摩擦力：50g下標(biāo)定透水面板盾殼穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)主要試驗(yàn)過程①將模型裝置放入離心機(jī)吊籃并固定，開始傳感器數(shù)據(jù)采集；②打開流量泵和電磁閥供排水，離心加速度逐漸提高到50g并穩(wěn)定20min~30min；③當(dāng)開挖面前方形成穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)（開挖面前方孔壓計(jì)讀數(shù)基本穩(wěn)定），逐漸后撤開挖面。當(dāng)開挖面水平位移s<6mm時(shí)，開挖面后撤速度ν=0.2mm/min；當(dāng)6mm<s<10mm時(shí)，ν=0.4mm/min；當(dāng)s=10mm時(shí)，v=0;④離心加速度由50g逐漸減少至0，將模型裝置吊出離心機(jī)吊籃。失穩(wěn)過程(C/D=1,Hw/D=2)高水頭下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性研究模型側(cè)面模型頂面第一階段：s↑,初始支護(hù)力→極限支護(hù)力（此時(shí)s≈1.5%Dm）第二階段：s繼續(xù)↑,支護(hù)力近似線性緩慢增大Hw/D=1Hw/D=2Hw/D=3極限有效支護(hù)力比較試驗(yàn)結(jié)果：開挖面有效支護(hù)力變化規(guī)律(a)(b)(c)(a)(b)(c)(a)(b)(a)(c)(b)(a)

穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果：開挖面漸進(jìn)失穩(wěn)模式棱柱體極限狀態(tài)(Plim)：“楔形體+棱柱體”破壞模式，破壞區(qū)擴(kuò)展到地表極限狀態(tài)以后：逐漸呈現(xiàn)“楔形體+棱臺(tái)體”破壞模式楔形體棱臺(tái)體楔形體Hw/D=1Hw/D=3(c)(b)(a)(a)(c)(b)(a)(c)Hw/D=1Hw/D=1

試驗(yàn)過程中開挖面前方孔壓變化極限狀態(tài)時(shí)開挖面前方孔壓失穩(wěn)過程中開挖面前方孔壓變化較小，表明整個(gè)試驗(yàn)過程中開挖面前方為穩(wěn)態(tài)滲流滲流主要發(fā)生在開挖面前方0.75Dm范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果：開挖面前方孔壓分布結(jié)論穩(wěn)態(tài)滲流下，開挖面有效支護(hù)壓力隨著開挖面位移的逐漸增大，迅速減小至極限值

，當(dāng)位移的繼續(xù)增大時(shí)，有效支護(hù)壓力緩慢線性增大。相同隧道埋深比，開挖面極限有效支護(hù)壓力

隨遠(yuǎn)場(chǎng)水頭與盾構(gòu)密封艙水頭差

增大而線性增大。極限狀態(tài)時(shí)開挖面前方呈現(xiàn)