岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (7): 2293-2303.doi: 10.16285/j.rsm.2019.1412

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

盾构掌子面三维破坏模型构建与极限支护力计算

刘克奇1,丁万涛1, 2,陈瑞1,侯铭垒1   

  1. 1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心,山东 济南250061;2. 山东大学 齐鲁交通学院,山东 济南 250002
  • 收稿日期:2019-08-19 修回日期:2019-12-30 出版日期:2020-07-10 发布日期:2020-09-13
  • 作者简介:刘克奇,男,1991年生,博士研究生,主要从事盾构隧道施工环境影响及隧道长期稳定性方面的研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 41572275)

Construction of three-dimensional failure model of shield tunnel face and calculation of the limit supporting force

LIU Ke-qi1, DING Wan-tao1, 2, CHEN Rui1, HOU Ming-lei1   

  1. 1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan, Shandong 250061, China; 2. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan, Shandong 250002, China
  • Received:2019-08-19 Revised:2019-12-30 Online:2020-07-10 Published:2020-09-13
  • Contact: 丁万涛,男,1975年生,博士,教授,主要从事岩土工程稳定性及耐久性方面的教学和研究。E-mail: dingwantao@sdu.edu.cn E-mail: liukeqi627@163.com
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41572275)。

摘要: 为明确盾构施工掌子面滑移破坏机制并确定掌子面支护力的合理范围,基于滑移线理论和极限分析上限定理,利用空间离散技术提出了一种盾构施工掌子面三维滑移破裂模型。依据大主应力拱理论计算滑移区顶部竖向土压力值,并以此作为滑移破坏区上部的竖向荷载计算掌子面极限支护力。研究表明,土拱效应显著影响掌子面前方土体竖向应力的大小及分布规律;将本模型与已有研究方法进行比较,验证了本模型获取的掌子面极限支护力极限分析上限解在黏性土地层以及摩擦土地层中的适用性。同时本模型构建的掌子面破坏区域形态更加贴近离心试验结果与数值计算结果。

关键词: 极限分析, 上限定理, 关联流动法则, 土拱效应, 极限支护力

Abstract: To clarify the sliding failure mechanism of the shield tunnel face and determine the reasonable range of the supporting force during shield construction, a three-dimensional slip rupture model for the shield tunnel face was proposed by using the spatial discretization technique based on the slip line theory and the upper bound theorem of limit analysis. According to the large principal stress arch theory, the vertical earth pressure at the top of the slip zone was calculated, and the limit supporting force of the tunnel was calculated by using the vertical load on the upper part of the slip damage zone. The results show that the soil arching effect significantly affects the magnitude and the distribution of vertical stress in front of the tunnel face. By comparing proposed model with existing approaches, it is found that the upper bound solution of limit supporting force obtained from the new model has good applicability in both purely cohesive soils and frictional soils. At the same time, the shape of the damaged area on the tunnel face is fairly consistent with the results from the centrifuge model test and numerical calculation.

Key words: limit analysis, upper bound theorem, associated flow rule, arching effect, limit supporting force

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