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基于Hoek-Brown准则的隧道开挖面安全系数模拟

更新时间:2009-03-28

在盾构隧道施工过程中,开挖面的稳定性对于保证盾构机的正常掘进具有非常重要的意义[1]。目前,工程界对于隧道开挖面稳定性的研究集中在开挖面支护力和破坏模式2个方面。现有研究结果表明:盾构开挖面的支护力过大将导致地表隆起,其支护力过小则可能造成地表塌陷。在实际工程中,土压平衡式盾构机在掘进过程中用土舱压力来平衡盾构机刀盘前方的水土压力,施工单位根据地质参数和工程经验来设定土舱压力,并根据地表沉降等情况对事先设定的土舱压力进行实时调整,以保证盾构机的顺利推进。因此,有必要制订一套能够在给定土舱压力的情况下对盾构隧道开挖面的稳定性进行定量评估的方法,以有效提高盾构隧道施工的安全性[2]。目前,广泛应用于盾构隧道开挖面稳定性分析的方法有极限平衡法和极限分析法。基于极限平衡理论,胡欣雨[3]等人对太沙基松动土压力计算公式进行修正,提出一种新型楔形体计算模型,并计算了开挖面的临界支护力。张箭[4-6]等人用极限分析理论,构建了盾构隧道开挖面锥形体上限破坏模式,推导出隧道开挖面的支护力表达式,并借助非线性规划方法,对该支护力进行了优化。

强度折减法最初于20世纪70年代由英国学者Zienkiewicz提出,其基本原理是将岩土体的强度参数粘聚力c和内摩擦角φ除以相同的折减系数w,得到一组新的岩土体强度参数,然后对边坡进行稳定性计算。通过不断增加折减系数,直至边坡刚好发生失稳破坏,则此时的折减系数w就是边坡的安全系数。在采用强度折减法进行安全系数计算时,不需要提前假定滑移面的形状,这种方法能够直观显示潜在滑动面,并直接得到安全系数的数值。目前,强度折减法已被广泛应用于边坡、隧道等土工结构的稳定性研究中。鉴于安全系数可以为土工构筑物的稳定性提供定量的评估,林杭[7]等人开始将强度折减法用于盾构隧道开挖面稳定性安全系数的求解。另一方面,现有的隧道开挖面稳定性研究大都采用的是Mohr-Coloumb破坏准则,但是Mohr-Coloumb破坏准则不能有效描述岩体中节理、裂隙及结构面对岩体强度的影响,从而限制了该破坏准则在岩石工程中的应用。而Hoek-Brown破坏准则经过30多年的发展和改进,已经不仅仅适用于硬质岩体抗剪强度的评估,通过引入一些修正参数,Hoek-Brown破坏准则同样可以用于各种浅埋破碎岩体中土工结构的稳定性分析,因而得到了越来越广泛的应用。

作者拟构建在浅埋破碎围岩中掘进的盾构隧道模型,采用Hoek-Brown破坏准则,并采用强度折减法,通过计算,得到盾构隧道开挖面在给定支护力作用下的安全系数,以期为实际工程中盾构隧道开挖面稳定性评估提供理论依据。

1 模型的建立

1.1 计算原理

鉴于Hoek-Brown破坏准则能够很好地评估岩体的强度,因此,将强度折减法与Hoek-Brown破坏准则相结合已成为计算隧道开挖面的安全系数的有效方法。但是,Hoek-Brown破坏准则中用于评估岩石强度的参数较多,已有研究对于选取Hoek-Brown强度准则中的哪几个参数进行折减,各参数之间的折减系数是否相关联等问题尚存在分歧[6-11]。因此,采用强度折减法求解基于Hoek-Brown破坏准则下的安全系数时,不能直接将Hoek-Brown参数进行折减,而是先将Hoek-Brown参数转换为Mohr-Coloumb准则中的粘聚力和内摩擦角,再进行折减。相应的转换过程为:

1) 利用Hoek-Brown强度准则,设压应力为σ3,求得参数Nφc

①当σ3≥0时,参数Nφc为:

 

(1)

 

(2)

2) 隧道开挖面安全系数随着开挖面支护力的增加而增加。在采用土压平衡盾构机掘进过程中,设置一个合理的土舱压力是提高开挖面稳定性的一种有效途径。

参考文献(References):

对于粮食仓储企业而言,存货成本的有效管理能够起到降低成本、提高盈利空间的作用。企业应主动发现存在于自身存货成本管理方面的问题,借助现代化科学技术手段,对企业内外部资源进行整合利用,强化预算、仓储、物流等方面的科学性、有效性、可控性和可靠性,提升企业的存货成本管理水平。

(3)

 

(4)

τ=σ′tan φc+cc

(5)

2) 采用Nφc求得粘聚力和内摩擦角。

 

(6)

 

(7)

[8] 孙潇昊,缪林昌,林海山.不同埋深盾构隧道开挖面稳定问题数值模拟[J].东南大学学报:自然科学版,2017,47(1):164-169.(SUN Xiao-hao,MIAO Lin-chang,LIN Hai-shan. Numerical simulation research on excavation face stability of different depths of shiedld tunnel [J].Journal of Southeast University: Natural Science Edition,2017,47(1):164-169.(in Chinese)))

1.2 构建数值模型

1) 划分网格

共创品牌是中小跨境电商出口企业转型升级的关键。良好的品牌有助于企业赢得海外消费者的认可和青睐,为企业带来粘性客户与增值利润,提升企业在全球价值链中的地位。但品牌培育资金投入大、时间周期长,义乌中小跨境电商出口企业要发挥行业协会的组织作用,共同构建品牌的服务体系,包括品牌定位、形象设计、整合传播、建设与维护等;另外,通过入股或收购境外生产企业、电商平台等形式,扶持一批优质、有潜力的企业“走出去”,开展海外生产、营销和服务,实现共创品牌的精细化、专业化和国际化运营。

该模型的长、宽、高分别设置为100 m× 30 m× 1 m,坐标原点位于隧道的顶部,埋深H为20 m,隧道直径d为10 m,隧道底部到计算模型底部为20 m。由于隧道开挖面安全系数计算是针对开挖面前方土体进行的,为了平衡计算效率和计算精确度,本研究构建的模型采用底部网格密度较小,而开挖面前方和上部网格较大的不均匀网格[14-17]。划分完的网格模型如图1所示,共有1 710个单元,3 588个节点。

  

图1 盾构隧道整体模型Fig. 1 The shield tunnel model

2) 参数的选取

本模型采用的是Hoek-Brown破坏准则,最新的Hoek-Brown准则为:

在保证其他参数不变的情况下,分别改变Hoek-Brown准则中的2个参数(miGSI)、土体的容重及开挖面支护力,计算隧道开挖面安全系数,分析这些参数对隧道安全系数的影响。

 

(8)

 

(9)

 

(10)

 

(11)

3) mi对安全系数的影响

相关参数的取值:γ为25 kN/m3σci为0.6 MPa;GSI为20;D为0;a为0.5;mi为15。

项目实现了县有预警指挥中心,乡镇有自动监测站和预警发布平台,行政村有简易雨量站、手摇警报器、铜锣、有线广播等预警设施和自然灾害避灾场所的目标,进一步完善了山洪灾害群测群防体系。

2 数值计算过程

模型的边界条件设置为:固定模型左、右边界的X轴方向,底部边界的Z轴方向,各单元的Y轴方向,设置重力加速度为10 m/s2。根据侧向应力系数,确定土体的XY方向的应力大小。在模拟过程中,调用FLAC3D软件中自带的Hoek-Brown本构模型,将Hoek-Brown破坏准则的各个参数赋值给围岩,首先求解模型的初始应力平衡状态,然后模拟隧道开挖过程。沿X轴正方向开挖30 m,采用liner单元,模拟隧道已经开挖部分拼装的管片式衬砌,开挖面上施加大小为 120 kPa 的均布力模拟盾构机的土舱压力,最后输入SOLVE fos命令,求解开挖面的安全系数。

3 模拟结果分析

本文的研究特色在于将当代工笔花鸟画与北宋院体花鸟画构图比较研究,两者结合分析。将当代工笔花鸟画构图的中国画博大精深,无论是从传统还是所谓的当代,要深度理解和剖析画面构图的内在意蕴,都要我们具有坚持不懈勤于探索的精神。中国画意象性的表现,决定了画面上出现的任何绘画元素都有很强的主观色彩,这些元素的安排更是随个人的心境、修养、学识有很大的不同。创作观念的突破大大激活了当代工笔花鸟画家的创作思维,迸发出层出不穷的创意和灵感,经过众多画家不懈的实践与探索,对传统工笔花鸟画构图的全面梳理,广泛吸收外来艺术的长处,才能创作出更优秀的构图图式来。

1) 开挖面支护力对安全系数的影响

高超走上台阶按响了门铃,他们等了两分钟,开门的还是罗云。高超出示了证件和搜查证,罗云闪身做了个请他们进屋的动作,随手关上门,把寒风挡在门外。看见老福她依然没开口,好像从来没见过他一样。

已知各个参数的取值:d为10 m;mi为15;GSI为20;D为0;H为20 m;σci为6 MPa;γ为25 kN/m3。求解开挖面在不同支护力作用下的安全系数。开挖面支护力σT为80 kPa和180 kPa时,隧道开挖面最大剪切应变率云图(SSR)如图2所示,各支护力对应的安全系数如图3所示。从图2,3中可以看出,开挖面前方土体形成了牛角形的剪切破坏带,表明开挖面前方围岩在此范围内发生了剪切破坏。在其他参数不变的情况下,开挖面安全系数随着支护力的增加而增加,开挖面前方土体的剪切破坏范围随着支护力的增加而减小。

2) 土体容重对安全系数的影响

已知各个参数的取值:d为10 m;mi为15;GSI为20;D为0;H为20 m;σci为0.6 MPa;σT为120 kPa。求解不同土体容重下的安全系数。土体容重γ为10 kN/m3和30 kN/m3时,土体的剪切应变率(SSR)云图如图4所示,各土体容重γ对应的安全系数如图5所示。从图4,5中可以看出,在其他参数不变的情况下,隧道开挖面安全系数和剪切破坏范围随着土体容重的增加而减小。

  

图2 支护力为80 kPa和180 kPa时,开挖面的最大剪切应变率云图Fig. 2 The max shear strain rate nephogram of tunnel face for supporting force equals to 80 kPa and 180 kPa respectively

  

图3 不同支护力作用下开挖面的安全系数Fig. 3 Safety factor of tunnel face under different supporting forces

式中:σ1为破坏时的最大有效主应力;σ3为最小有效主应力;σci为完整岩石的单轴抗压强度;a为与岩体特性相关的参数;mi为与岩石完整程度有关的参数;mb为无量纲常数;D为考虑到爆破破坏和应力松弛对节理岩体产生扰动的系数,取值范围为0到1;GSI为地质强度指标。

会计人员提供的会计信息,理应对会计信息失真负有责任。我国传统的做法是会计由受托方聘任,这就决定了会计人员和所在的企业有着密切的利害关系。这样的会计人员管理制度阻碍了会计监督,对不唯命是从的人,可能遭受排挤或打击报复,使会计人员丧失了监督者的独立地位,并在会计工作中困难重重,从而扰乱了会计工作的正常秩序,导致会计故意性信息失真。

已知各个参数的取值:d为10 m;GSI为20;D为0;H为20;σci为0.6 MPa;γ为25 kN/m3σT为120 kPa。求解不同mi下的安全系数。 mi取5和30时的剪切应变率(SSR)云图如图6所示,各mi对应的安全系数如图7所示。从图6,7中可以看出,在其他参数不变的情况下,开挖面的安全系数随着mi的增加而增加,开挖面的剪切破坏范围随着mi的增加而减小。

  

图4 容重为10 kN/m3和30 kN/m3时,开挖面的最大剪切应变率云图Fig. 4 The max shear strain rate nephogram of tunnel face for γ equals to 10 kN/m3 and 30 kN/m3 respectively

  

图5 不同容重作用下开挖面的安全系数Fig. 5 Safety factor of tunnel face under different γ

4) 地质强度指标GSI对安全系数的影响

已知各个参数取值:d为10 m;mi为15;D为0;H为20 m;σci为0.6 MPa;γ为25 kN/m3σT为120 kPa。求解不同地质强度指标GSI下的安全系数。GSI为10和30时的剪切应变率(SSR)云图如图8所示,各GSI对应的安全系数如图9所示。从图8,9中可以看出,在其他参数不变的情况下,开挖面安全系数随着地质强度指标GSI的增加而增加,剪切破坏范围随GSI的增加而减小。

  

图6 mi为5和30时,开挖面的最大剪切应变率云图Fig. 6 The maximum shear strain rate nephogram of tunnel face when mi equals to 5 and 30, respectively

  

图7 不同mi作用下开挖面的安全系数Fig. 7 Safety factor of tunnel face under different mi values

4 工程实例分析

在长沙轨道交通2号线一期工程橘子洲到湘江大道站的区间隧道中,采用盾构法掘进,隧道直径6.29 m,主要穿越中风化板岩、中风化泥质粉砂岩及软硬不均段等3种地层。本研究在该区间隧道选取3个截面,各截面处的土舱压力的实测值如图10所示。采用本研究方法构建数值模型,对这3个截面的安全系数值进行计算。

  

图8 GSI为10和30时,开挖面的最大剪切应变率云图Fig. 8 The maximum shear strain rate nephogram oftunnel face when GSI equals to 10 and 30, respectively

  

图9 不同GSI作用下开挖面的安全系数Fig. 9 Safety factor of tunnel face under different GSI values

由于勘察报告提供的土体参数是基于Mohr-Coloumb破坏准则的粘聚力和摩擦角,因此,需要将粘聚力和摩擦角转换为对应的Hoek-Brown参数,才能利用本研究方法计算各个截面的安全系数。勘察报告提供的各个截面的物理力学参数见表1。3个截面转换之后的Hoek-Brown参数和安全系数见表2。从表2中可以看出,计算得到的开挖面的安全系数大于1,表明在盾构施工过程中,土舱压力有效地维持了开挖面的稳定,而该区间隧道的顺利完工也验证了本研究计算方法的有效性。

  

图10 盾构隧道掘进过程土舱压力的实测值Fig. 10 The measured values of earth pressure in the chamber

 

表1 各截面隧道所处土层的物理力学参数Table 1 The physical and mechanical parameters of soil where tunnel excavated

  

截面隧道埋深/m变形模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)容重/(kN·m-3)116.195127.534.472.02216.530138.035.802.46316.230138.035.802.46

 

表2 不同截面处盾构隧道安全系数的数值解Table 2 The numerical solution of safety factor for shield tunnel in different sections

  

截面DGSImiσci/kPa土舱压力/kPa安全系数数值解103015700702.182020156001201.643020156001301.66

5 结论

基于Hoek-Brown破坏准则和强度折减法,计算了在浅埋破碎围岩中掘进的盾构隧道开挖面安全系数。通过对不同参数作用下的安全系数进行分析,得到的结论为:

在树脂纯化过程中,常常需要通过泄漏曲线来确定所需树脂的量、上样体积和上样流速[33]。当流出液的浓度达到上样液浓度的1/10的时候,可以认为树脂的吸附量已达到饱和,此时的上样体积为最佳上样体积。从图3可以看出,树脂对花色苷的吸附效果随上样液体积的增加而下降,最佳上样体积达到183 mL。

1) 隧道开挖面安全系数随着地质强度指标GSImi的增加而增加。由于GSI可以有效反映岩体的节理发育情况和完整程度,因此,在实际工程中,有必要考虑围岩完整性对隧道开挖面稳定性的影响。

②当σ3<0时,参数Nφc为:

3) 由开挖面前方围岩的剪切应变率(SSR)云图可知,在开挖面前方的围岩形成了一个由塑性剪切应变带构成的牛角形破坏面,该剪切破坏面范围随着开挖面支护力、容重及GSI的增加而减小。表明:剪切破坏范围与开挖面安全系数存在着一定的关联,开挖面前方围岩的剪切破坏范围是影响开挖面稳定的一个重要因素。

Nσc=1+amb(s)a-1

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6.1 温度管理:白天温度保持在30~36℃,夜间15~18℃,早晨揭帘前棚内温度保持10~13℃,最低不能低于9℃,放风时由小到大逐渐增大通风量。

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碳信息披露项目(Carbon Disclosure Project,简称CDP)是一个非盈利组织,成立于2000年,通过让大型企业参与碳披露问卷调查,整理归纳问卷内容,从而衡量、披露温室气体排放信息及有关气候变化的战略目标,为投资者、非政府组织以及政策制定者提供决策支持。CDP的碳信息披露框架主要包括低碳风险管理、碳减排核算、碳减排管理和全球气候治理4个方面。国外企业披露的碳信息,都将经过CDP的整理和搜集,并得出结论,从中找出问题,提出解决方案[2]。通过企业信息与外部组织配合达到减排目标。

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将Hoek-Brown参数转换为等效粘聚力和内摩擦角后,再将等效粘聚力和内摩擦角进行折减,直至计算收敛。此时,得到的折减系数即为隧道开挖面安全系数[12-13]

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尝试用慢速快门拍摄运动物体,例如公共汽车。将相机固定到三脚架上,变焦放大部分画面,等它快速驶过的时候拍摄。

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(2)提出了基于实时道路交通情况与充电站分布位置的道路简化模型,充分地化简了复杂交通网络,为快速的最优路径规划提供了基础。

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福建省东张水库总库容19 900万m3,大坝为混凝土宽缝重力坝,山前水库是东张水库人饮供水的中转水库,在东张水库高干渠道桩号53+435处设置闸门,将渠水引入水库,解决福清市龙田、三山等5镇居民生活用水。

对于大宝而言,其在消费者心目中低价的形象已经根深蒂固,想要改变并不容易。而其推出的新产品能否从品质上征服消费者,也是大宝能否成功高端化的关键之一。就目前而言,大宝“小红帽精华”在天猫旗舰店的销量尚属可以,可见不少消费者对大宝品牌的感情还在,愿意去尝试它推出的新产品。

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黄阜,张芝齐,王芬,冯源
《交通科学与工程》 2018年第01期
《交通科学与工程》2018年第01期文献

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