基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

doi:10.3973/j.issn.2096-4498.2021.10.010

隧道建设（中英文） ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (10): 1708-1716.DOI: 10.3973/j.issn.2096-4498.2021.10.010

基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

陈登开¹，钟久强^2,
3，余志勇¹，蒋亚龙^{2, 3, *}，朱碧堂^{2, 3}

(1. 南昌轨道交通集团有限公司, 江西南昌 330038； 2. 华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室, 江西南昌 330013； 3. 江西省地下空间技术开发工程研究中心, 江西南昌 330013)

出版日期:2021-10-20 发布日期:2021-11-04
作者简介:陈登开(1980—)，男，江西婺源人，2001年毕业于北京交通大学，土木工程专业，本科，高级工程师，现主要从事城市轨道交通建设管理和研究工作。E-mail: 14671606@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金(41972291)；江西省交通运输厅科技项目(2020Z0001)；江西省交通运输厅重点工程科技项目（2019C0010,2019C0011）

Research on Upper Limit Support Pressure of Shallow Tunnel Face in Composite Strata Based on Limit Analysis

CHEN Dengkai¹, ZHONG Jiuqiang^{2, 3}, YU Zhiyong¹, JIANG Yalong^{2, 3, *}, ZHU Bitang^{2, 3}

(1. Nanchang Rail Transit Group Co., Ltd., Nanchang 330038, Jiangxi, China; 2. Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety and Control in Geotechnical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 3. Engineering Research ＆ Development Centre for Underground Technology of Jiangxi Province, Nanchang 330013, Jiangxi, China)

Online:2021-10-20 Published:2021-11-04

摘要/Abstract

摘要： 合理确定掌子面支护压力是保证隧道正常施工及周边环境安全的关键。为探究浅埋隧道中不同复合程度下复杂地层支护力上限值变化规律，基于三维有限单元极限分析软件Optum G3，建立一种考虑不同泥岩比例的浅埋隧道掌子面极限支护压力上限解模型，并通过案例对比分析验证模型的有效性。基于此，进一步探讨不同泥岩复合比例下掌子面支护压力上限解及对应失稳模式，并进行参数敏感性分析，拟合得到对应的简化计算公式。结果表明： 1）复合地层盾构隧道开挖过程中，泥岩比例低于50%时，掌子面支护力上限值增长平缓，大于该值后支护压力迅速上升； 2）复合地层掌子面破坏模式显著区别于均质土层，泥岩比例小于50%时，易失稳点出现在砂层与泥岩交界处，位置随泥岩比例的增加而上升，大于该值后出现在隧道中心位置并保持恒定； 3）极限支护压力上限解与隧道埋深比C/D、覆土内摩擦角φ及黏聚力c值呈正相关，且埋深比C/D越大，增长的幅度越大，当泥岩比例大于75%后，不同黏聚力下的极限支护力趋于接近。

关键词: 浅埋隧道, 复合地层, 掌子面支护压力, 有限单元极限分析, 上限解

Abstract: The rational determination of tunnel face support pressure is key to the normal construction of a tunnel and the safety of the surrounding environment. To explore the variation law of the upper limit value of shallow tunnel support pressure in different composite strata, an upper limit solution model of the limit support pressure of shallow tunnel face considering different proportions of mudstone is established based on threedimensional finite element limit analysis software Optum G3, and the model′s effectiveness is verified using comparative analysis of cases. Moreover, the upper limit solution and corresponding instability mode of tunnel face support pressure under different mudstone proportions are discussed, and the parameter sensitivity analysis is performed to obtain the corresponding simplified calculation formula. The results show the following. (1) The upper limit value of tunnel face support pressure increases more rapidly when the proportion of mudstone is larger than 50% than when the proportion of mudstone is less than 50%. (2) The tunnel face failure mode in composite strata significantly differes from that in a homogeneous stratum. When the proportion of mudstone is less than 50%, an instable point appears at the junction of sand and mudstone, which increases with the proportion of mudstone; when the proportion of mudstone is greater than 50%, an instable point appears at the tunnel′s center axis. (3) The upper limit solution of limit support pressure positively correlates with the ratio of tunnel buried depth C/D, soil internal friction angle φ, and cohesion value c; the larger the C/D, the greater the increase in the upper limit value of tunnel face support pressure. When the proportion of mudstone is greater than 75%, the limit support pressures under different cohesions are almost the same.

Key words: shallow tunnel, composite strata, tunnel face support pressure, finite element limit analysis, upper limit solution

中图分类号:

U 45

陈登开, 钟久强, 余志勇, 蒋亚龙, 朱碧堂. 基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究[J]. 隧道建设, 2021, 41(10): 1708-1716.

CHEN Dengkai, ZHONG Jiuqiang, YU Zhiyong, JIANG Yalong, ZHU Bitang.

Research on Upper Limit Support Pressure of Shallow Tunnel Face in Composite Strata Based on Limit Analysis [J]. Tunnel Construction, 2021, 41(10): 1708-1716.

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基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

Research on Upper Limit Support Pressure of Shallow Tunnel Face in Composite Strata Based on Limit Analysis

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