透水砂層泥水平衡盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)破壞機(jī)理研究.pdf

1、近年來，中國地下工程進(jìn)入建設(shè)高峰期，盾構(gòu)法施工因其具有效率高，擾動(dòng)小，在國內(nèi)尤其是軟土、砂土地區(qū)快速的被推廣應(yīng)用開來。然而，伴隨著盾構(gòu)法的快速發(fā)展，諸多技術(shù)問題也應(yīng)運(yùn)而生。其中，盾構(gòu)開挖施工對(duì)周邊環(huán)境影響問題就是目前困擾國內(nèi)隧道工程領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者們的一項(xiàng)難題，尤其是大直徑盾構(gòu)施工，其開挖面穩(wěn)定是影響周邊環(huán)境的主要因素。如何確保大直徑盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定，避免施工擾動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響是解決城市隧道工程建設(shè)問題的關(guān)鍵，該問題的有效解決勢(shì)必將推

2、動(dòng)未來城市隧道工程的發(fā)展。然而，關(guān)于上述問題，目前國內(nèi)的研究技術(shù)水平和發(fā)展速度遠(yuǎn)遜于日本和歐美各國，尤其是透水砂層大型泥水平衡盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)機(jī)理和評(píng)判計(jì)算方法的研究尚存諸多不足。本文依托于南京長(zhǎng)江隧道工程，對(duì)高透水性砂質(zhì)地層中泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性問題展開研究，通過靜三軸試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論計(jì)算，系統(tǒng)研究了不同泥漿配比、覆土厚度、水頭高度和土體性質(zhì)等工況下開挖面失穩(wěn)特性，對(duì)高透水性砂土地層開挖面失穩(wěn)的判據(jù)進(jìn)行重新界定

3、，建立了適合于砂土地層的開挖面支護(hù)力計(jì)算公式。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)泥漿配比對(duì)開挖面土體強(qiáng)度的影響研究。泥水平衡盾構(gòu)施工中，泥漿在開挖面形成的泥膜作為維持開挖面穩(wěn)定的支護(hù)力傳遞介質(zhì)，直接作用于開挖面土體，是影響開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同圍壓下注漿前后土體性質(zhì)和強(qiáng)度等變化特性。研究發(fā)現(xiàn)泥漿成膜過程中，會(huì)使砂土的粘聚力上升而內(nèi)摩擦角降低，且隨著圍壓升高，土體強(qiáng)度會(huì)有所增加;
　　(2)開挖

4、面主動(dòng)破壞影響因素研究。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)不同泥漿配比、覆土厚度、水頭高度和土體性質(zhì)等工況下開挖面主動(dòng)破壞的情況進(jìn)行了對(duì)比研究。研究表明，覆土厚度和水頭高度對(duì)開挖面的穩(wěn)定性影響較大，隨著覆土厚度增加，開挖面支護(hù)力逐漸增大;開挖過程中土中滲流和超孔隙水壓力變化會(huì)降低開挖面穩(wěn)定性;從初始開挖到失穩(wěn)整個(gè)變化過程中，存在土拱效應(yīng)現(xiàn)象，在干砂試驗(yàn)中這種現(xiàn)象越發(fā)顯著。影響開挖面穩(wěn)定的因素，除土拱效應(yīng)作用外，更為關(guān)鍵的是內(nèi)摩擦角、覆土厚度和水頭高度

5、;
　　(3)泥水劈裂效應(yīng)研究。在泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，泥水壓力設(shè)定過高會(huì)引發(fā)泥水劈裂。從而導(dǎo)致泥水艙內(nèi)壓力急劇下降，開挖面失穩(wěn)。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，同樣對(duì)不同泥漿配比、覆土厚度、水頭高度和土體性質(zhì)等工況下泥水劈裂現(xiàn)象進(jìn)行了研究。研究表明，泥水劈裂壓力與泥漿配比、水頭高度和土體性質(zhì)密切相關(guān)，②號(hào)泥漿的劈裂壓力要明顯高于①號(hào)泥漿;無水時(shí)發(fā)生劈裂需要提供的劈裂壓力和時(shí)間要高于有水的情況，意味著在地層飽和時(shí)更容易發(fā)生劈裂;土體的級(jí)配、粘

6、聚力和內(nèi)摩擦角等性質(zhì)直接影響泥水劈裂的效果，粉細(xì)砂的泥水劈裂壓力要高于中粗砂;
　　(4)開挖面穩(wěn)定評(píng)判方法研究。傳統(tǒng)意義上開挖面破壞主要指主被動(dòng)滑動(dòng)破壞。而室內(nèi)模型試驗(yàn)研究表明，在砂土中，高泥水壓力下泥水劈裂比被動(dòng)滑動(dòng)破壞更容易發(fā)生，因此建議開挖面被動(dòng)破壞的支護(hù)力上限值應(yīng)以泥漿劈裂壓力為準(zhǔn)。此外，通過理論計(jì)算，提出了適用于砂質(zhì)土層開挖面失穩(wěn)判斷的修正穩(wěn)定系數(shù)法;
　　(5)支護(hù)力計(jì)算方法研究。通過理論計(jì)算，分析研究了目前常