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考虑渗流效应的深基坑大型止水屏障分析方法及其应用

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Journal of Central South University 2022年第6期29卷 2033-2048页

作者：曹成勇施成华 College of Civil and Transportation Engineering Shenzhen UniversityShenzhen 518060China School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha 410075China

本文介绍了一种深基坑大型止水屏障(部分重叠的高压旋喷桩组成)的分析方法,该方法考虑了其两个关键的因素(渗透性与材料强度)。随后,通过对一个算例进行了分析和讨论。结果表明,在基坑止水屏障参数设计时应主要考虑其拉裂破坏模式,其中... 详细信息

本文介绍了一种深基坑大型止水屏障(部分重叠的高压旋喷桩组成)的分析方法,该方法考虑了其两个关键的因素(渗透性与材料强度)。随后,通过对一个算例进行了分析和讨论。结果表明,在基坑止水屏障参数设计时应主要考虑其拉裂破坏模式,其中最大允许渗流量是重要的设计指标之一,其对确定基坑止水屏障设计参数具有十分显著的影响。与本文提出的设计方法相比,由于忽略止水屏障结构自身渗透性能和材料强度对结构安全的贡献,采用稳定平衡法或渗流稳定平衡法进行确定基坑止水屏障设计参数是相对保守的。在此基础上,以福州地铁某深基坑工程为例,采用本文提出的设计方法,确定了深基坑止水屏障厚度与深度的范围值。最后,现场抽水试验结果表明现场基坑止水屏障的水密性能十分良好。

关键词：矩形基坑深层含水层大型止水屏障渗流设计方法

深厚强透水含水层地铁基坑地下水控制方案综合比选方法

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土木与环境工程学报(中英文) 2022年

作者：曹成勇彭远胜深圳大学土木与交通工程学院深圳大学深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室

针对深厚强透水含水层地铁基坑地下水控制方案比选问题，联合运用层次分析法、模糊综合评价法以及数值计算方法，提出深厚强透水含水层地铁基坑地下水控制方法定性与定量化比选流程框架，建立了强透水地层地铁基坑地下水控制方案综合比... 详细信息

针对深厚强透水含水层地铁基坑地下水控制方案比选问题，联合运用层次分析法、模糊综合评价法以及数值计算方法，提出深厚强透水含水层地铁基坑地下水控制方法定性与定量化比选流程框架，建立了强透水地层地铁基坑地下水控制方案综合比选方法。以福州地铁水部站基坑工程为例，采用建立的比选方法，对5种不同基坑地下水控制方案（敞开式降水、落底式止水帷幕、深层水平封底帷幕、悬挂式帷幕降水以及水下开挖）进行定性评估分析，结果表明，悬挂式帷幕降水方案为该车站基坑工程地下水控制最优方案。采用数值模拟方法，分析得到了基坑降水引发周边地表沉降值在12～23 mm，表明42 m悬挂式止水帷幕能有效控制基坑降水引发的地表沉降。

关键词：深基坑地铁强透水含水层地下水控制方案比选

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非均质地基中盾构隧道的纵向变形分析

铁道科学与工程学报 2023年第6期20卷 2222-2234页

作者：王祖贤施成华曹成勇彭铸孙影杰中南大学土木工程学院湖南长沙410075 深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060

盾构隧道沿纵向将不可避免地穿越多种地层,地基的非均质性和非连续性是广泛存在的。针对非均质地基中盾构隧道的纵向变形问题,将盾构隧道视为非均质Winkler地基中的Euler-Bernoulli梁,建立非均匀地基中盾构隧道纵向力学性能分析的非均质... 详细信息

盾构隧道沿纵向将不可避免地穿越多种地层,地基的非均质性和非连续性是广泛存在的。针对非均质地基中盾构隧道的纵向变形问题,将盾构隧道视为非均质Winkler地基中的Euler-Bernoulli梁,建立非均匀地基中盾构隧道纵向力学性能分析的非均质Winkler地基-EB梁模型,基于中心差分原理,推导得到解析模型控制方程的显式有限差分解。通过与既有研究成果的对比,验证解析模型的可靠性。而后,基于所建立的解析模型系统分析2类典型非均质地基条件下地基变异性对盾构隧道纵向变形和内力的影响,进一步讨论软硬地层渐变时隧道的纵向力学特性。研究结果表明:不同地基条件下所推导的有限差分解与既有有限元结果较为吻合,证明所建立的解析模型及其解答是准确可靠的;相邻地基刚度的差异会显著影响盾构隧道的纵向变形和内力,软硬地层交界面处隧道变形和内力会产生明显变化,且隧道剪力在此达到最大值,易产生环间错台等病害;对于软硬突变地层,隧道最大差异沉降随软弱地基刚度的减小线性增大,而最大弯矩和剪力的变化呈现出一定的非线性;对于含软弱层的软硬交替地层,软弱层相对刚度和相对长度均会显著影响隧道的纵向变形和内力,隧道最大差异沉降和最大弯矩及剪力随软弱层相对刚度和相对长度的变化具有明显的非线性特性;相比于软硬地层的突变,地层的渐变使得隧道剪力显著减小,有利于改善盾构隧道的纵向力学性能。

关键词：非均质地基盾构隧道纵向变形解析模型有限差分解

考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型

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岩土力学 2023年第5期44卷 1295-1308页

作者：王祖贤施成华龚琛杰曹成勇彭铸孙影杰中南大学土木工程学院湖南长沙410075 深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的... 详细信息

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明:该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。

关键词：盾构隧道纵向连续化模型横向性能轴力弯矩耦合作用纵向非线性等效抗弯刚度

邻近车站(工作井)基坑开挖对下卧盾构隧道影响的解析计算方法

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岩土力学 2022年第8期43卷 2176-2190页

作者：王祖贤施成华龚琛杰曹成勇刘建文彭铸中南大学土木工程学院湖南长沙410075 深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060

既有用于基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形计算的解析模型,往往将盾构隧道视为两端自由的无限长梁,限制了此类模型的适用范围。针对邻近车站(工作井)基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形问题,将车站(工作井)―隧道连接节点对盾构隧道的... 详细信息

既有用于基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形计算的解析模型,往往将盾构隧道视为两端自由的无限长梁,限制了此类模型的适用范围。针对邻近车站(工作井)基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形问题,将车站(工作井)―隧道连接节点对盾构隧道的约束视为一转动刚度为K_(θ)的旋转弹簧和一竖向链杆,建立了开挖卸荷作用下邻近车站(工作井)盾构隧道纵向变形分析的Winkler地基-Timoshenko梁模型,基于力法基本原理严格推导了解析模型的差分解。通过与一维弹性地基梁有限元数值解和邻近车站基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的整体有限元计算结果的对比,验证了解析模型的可靠性和适用性。进一步的参数分析结果表明:车站(工作井)―隧道连接节点转动刚度K_(θ)对隧道纵向变形和内力具有显著影响,连接端处隧道内力随K_(θ)的增大而非线性增大,而隧道横截面转角的变化却恰好相反,且车站(工作井)-隧道连接节点采用柔性连接时能更好地保障此节点处盾构隧道的工作性能;当基坑中心距车站-隧道连接节点的距离在4~5倍的基坑宽度(沿隧道轴向)范围内时,连接节点对隧道端部的约束效应不可忽略,应采用该模型进行盾构隧道纵向性能评价;上覆基坑开挖对下卧盾构隧道的影响主要集中在自基坑中心2倍基坑长度(横隧道轴向)以内。

关键词：盾构隧道基坑开挖柔性边界纵向变形解析解

浅埋透水复合地层泥水盾构开挖面稳定性及掘进参数研究

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浅埋透水复合地层泥水盾构开挖面稳定性及掘进参数研究

作者：曹成勇中南大学

学位级别：硕士

近年来,泥水盾构被越来越广泛地应用于城市地铁的越江隧道建设中。然而,针对复杂地质、高水压、埋深浅等特殊状况,如何探清泥水盾构泥膜形成过程的力学机理、保证透水地层盾构开挖面的稳定性、选择合适的盾构掘进参数等,是当前亟待需解... 详细信息

近年来,泥水盾构被越来越广泛地应用于城市地铁的越江隧道建设中。然而,针对复杂地质、高水压、埋深浅等特殊状况,如何探清泥水盾构泥膜形成过程的力学机理、保证透水地层盾构开挖面的稳定性、选择合适的盾构掘进参数等,是当前亟待需解决的问题。本文以南昌市轨道交通1号线一期工程秋水广场站～中山西路站区间隧道为工程背景,以国家重点基础研究发展计划（973）项目（2011CB013802）和中铁隧道集团科研项目为依托,采用理论分析、数值模拟、现场测试以及数理统计等方法,针对浅埋透水复合地层泥水盾构开挖面稳定性与掘进参数等问题进行了较系统的研究。论文主要完成的研究工作如下：（1）从泥水盾构泥膜形成机制入手,建立泥膜形成过程的力学分析模型,推导了泥膜厚度增长速率、泥水盾构开挖面处泥浆滤液流速和单位时间内滤失量的计算公式,并通过对其主要影响因素分析,得到了不同参数下泥膜厚度、开挖面泥浆滤液流速和单位时间内滤失量等的影响规律。（2）基于极限上限法理论,建立浅埋透水地层泥水盾构开挖面稳定性的理论分析模型,推导了考虑渗流条件下浅埋透水地层泥水盾构隧道极限支护压力的计算公式。结合工程实例,采用数值模拟验证了理论计算方法合理性,进而通过对盾构开挖面极限支护压力影响因素的分析,得到了不同参数下盾构开挖面极限支护压力的影响规律。（3）采用数理统计的方法对复合地层泥水盾构掘进参数进行统计分析,获得了不同地层下泥水盾构掘进参数的变化范围以及沿区间纵向的变化规律,并给出了泥水盾构掘进参数的合理控制范围。（4）通过多元回归分析,得到了不同地层段盾构掘进速度和刀盘扭矩的回归数学模型,并将现场实测数据与拟合值对比分析,得出该回归数学模型合理,可以作为盾构掘进速度和刀盘扭矩的预测模型。

关键词：浅埋透水复合地层泥水盾构泥膜开挖面稳定掘进参数

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考虑渗流作用的基坑旋喷封底隔渗体设计方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第7期49卷 49-54页

作者：曹成勇施成华刘建文朱旻深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060 深圳大学深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室广东深圳518060 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

针对深基坑旋喷封底隔渗体的设计和计算问题,将基坑旋喷封底隔渗体假定为四周固支的矩形弹性薄板,并考虑其渗流作用,提出了基坑旋喷封底隔渗体的设计方法.随后,对某城市地下两层车站基坑深层旋喷封底隔渗体参数进行计算分析.结果表明:... 详细信息

针对深基坑旋喷封底隔渗体的设计和计算问题,将基坑旋喷封底隔渗体假定为四周固支的矩形弹性薄板,并考虑其渗流作用,提出了基坑旋喷封底隔渗体的设计方法.随后,对某城市地下两层车站基坑深层旋喷封底隔渗体参数进行计算分析.结果表明:基坑旋喷封底隔渗体设计时须着重关注结构拉裂破坏模式.由于渗流平衡方法忽略了基坑旋喷封底隔渗体的材料强度对结构安全的贡献,因此其设计参数会偏保守.

关键词：矩形基坑渗流作用旋喷封底隔渗设计方法

浅埋透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力研究

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中南大学学报（自然科学版） 2016年第9期47卷 3131-3139页

作者：曹成勇施成华雷明锋彭立敏中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075 中国建筑第五工程局有限公司湖南长沙410004

针对浅埋透水地层的泥水平衡盾构施工的隧道,建立考虑水的渗透作用下泥水盾构开挖面极限支护压力的理论分析模型。同时,基于极限分析理论,推导相应的计算公式,并结合工程实例,通过数值模拟计算分析,验证理论分析的合理性,进而讨论隧道... 详细信息

针对浅埋透水地层的泥水平衡盾构施工的隧道,建立考虑水的渗透作用下泥水盾构开挖面极限支护压力的理论分析模型。同时,基于极限分析理论,推导相应的计算公式,并结合工程实例,通过数值模拟计算分析,验证理论分析的合理性,进而讨论隧道埋深、隧道直径、土体黏聚力、内摩擦角和水深等参数对盾构开挖面极限支护压力的影响。研究结果表明:浅埋透水地层盾构隧道开挖面极限支护压力随着隧道埋深、隧道直径以及水深增大而增大;随着土体黏聚力和内摩擦角增大反而减小。

关键词：浅埋隧道透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力

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强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性

东南大学学报（自然科学版） 2021年第6期51卷 1002-1008页

作者：孙晓贺施成华曹成勇刘胜利雷明锋中南大学土木工程学院长沙410075 深圳大学土木与交通工程学院深圳518060 广州地铁设计研究院股份有限公司广州510010

为研究强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性,基于Darcy渗流理论,建立了水平封底帷幕作用下基坑渗流计算模型,推导出基坑内涌水量及帷幕底部水压的理论解,并通过室内渗流试验,验证了理论计算方法的可靠性.分析了渗透系数比、帷幕厚度... 详细信息

为研究强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性,基于Darcy渗流理论,建立了水平封底帷幕作用下基坑渗流计算模型,推导出基坑内涌水量及帷幕底部水压的理论解,并通过室内渗流试验,验证了理论计算方法的可靠性.分析了渗透系数比、帷幕厚度以及帷幕与基坑底部的距离对基坑渗流的影响.研究结果表明:渗透系数比对渗流的影响起主导作用,当渗流系数比为0.01时,涌水量仅为不设帷幕的10%;帷幕厚度对渗流具有一定影响,而帷幕位置对渗流几乎没有影响.建议强透水地层基坑水平帷幕渗透系数比不宜高于0.01,厚度不宜小于4 m.

关键词：地铁基坑强透水地层水平帷幕渗流试验止水帷幕设计