岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 3637-3648.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1553CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1553

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上砂下黏复合地层隧道开挖面稳定性及破坏模式研究

张昕晔1,刘志伟2,翁效林1,李铉聪1,赵建崇2,刘小光3   

  1. 1. 长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;2. 中交一公局集团有限公司,北京 100024; 3. 陕西建工控股集团有限公司,陕西 西安 710003
  • 收稿日期:2024-12-18 接受日期:2025-04-03 出版日期:2025-11-14 发布日期:2025-11-12
  • 通讯作者: 翁效林,男,1980年生,博士,教授,主要从事特殊土性状及城市地下轨道交通方面的研究。E-mail: 1536272321@qq.com
  • 作者简介:张昕晔,女,2001年生,硕士研究生,主要从事岩土工程方面的研究。E-mail: 2023121136@chd.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 42277151);陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设项目(No. S2024-YD-QCYK-0027);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(No. 300102214201)。

Stability and failure mode analysis of tunnel face in composite ground with upper sand and lower clay layers

ZHANG Xin-ye1, LIU Zhi-wei2, WENG Xiao-lin1, LI Xuan-cong1, ZHAO Jian-chong2, LIU Xiao-guang3   

  1. 1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710064, China; 2. China First Highway Engineering Company, Beijing 100024, China; 3. Shaanxi Construction Engineering Holding Group Co., Ltd, Xi’an, Shaanxi 710003, China
  • Received:2024-12-18 Accepted:2025-04-03 Online:2025-11-14 Published:2025-11-12
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42277151), Shaanxi Qinchuangyuan “Scientist + Engineer" Team Building Program (S2024-YD-QCYK-0027) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities, CHD(300102214201).

摘要: 为研究隧道穿越上砂下黏复合地层时开挖面的稳定性,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法,得出了不同地层分界线与埋深比条件下的失稳区位移变化、最终失稳区轮廓特征、土压力变化规律以及开挖面极限支护力。试验结果表明:当地层分界线位于开挖面中心处时,开挖面前方土体随位移后撤发生失稳破坏;当分界线处于拱顶处时,开挖面前方土体始终保持稳定状态。失稳区位移都发生在上部砂土地层,黏土地层在后撤过程中几乎不发生变化,证明开挖面失稳初期土体受到的扰动会影响后续失稳区发展趋势。由归一化竖向土压力与开挖面后撤曲线分析可知,埋深比和下侧黏土地层厚度越大,地层抵抗扰动能力越强。对试验中发生失稳破坏的两组工况进行分析,发现开挖面支护应力比随归一化后撤位移的变化曲线存在3个阶段。两组工况均是开挖面上侧中心点支护力先达到极限值,且当埋深比由1.0增大到1.5时,极限支护力变化较小。通过对试验工况开挖过程进行三维有限元数值模拟,对开挖面极限支护力、失稳区破坏模式与土压力变化规律进行分析,数值分析结果与试验结果基本吻合。

关键词: 复合地层, 隧道开挖面, 失稳模式, 离心试验, 数值模拟

Abstract: To investigate the stability of the excavation face during tunnel traversal through an upper-sand-lower-clay composite stratum, centrifugal model tests and numerical simulations were combined to analyze the displacement variation in instability zones, profile characteristics of final instability zones, earth pressure evolution patterns, and ultimate support pressure under different stratigraphic boundary positions and burial depth ratios. Test results indicate: Significant instability occurs when the stratigraphic boundary is at the tunnel face center, while stability is maintained when the boundary is at the tunnel crown. Displacements concentrate in the upper sandy layer with negligible changes in the clay layer, demonstrating that initial instability disturbance influences subsequent instability zone development. Analysis of normalized vertical earth pressure and excavation face retreat displacement curves reveals that increased burial depth ratios and clay layer thickness enhance formation resistance to disturbances. Support pressure ratio-displacement curves for two instability cases exhibit three distinct stages, with the upper side central point of the excavation face reaching ultimate support pressure first. When the burial depth ratio increases from 1.0 to 1.5, the ultimate support pressure shows minimal change. 3D finite element simulations of the excavation process validate the ultimate support pressure, failure patterns in instability zones, and earth pressure evolution, with numerical results showing good agreement with experimental data.

Key words: composite stratum, tunnel face, instability mode, centrifugal test, numerical simulation

中图分类号: TU 452
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