干砂和飽和砂性土中盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定數(shù)值和離心試驗(yàn)研究.pdf

1、為有效解決城市交通擁堵問題，越來越多的城市開始大規(guī)模興建軌道交通。城市軌道交通的區(qū)間隧道大多采用盾構(gòu)法施工，由于施工中時(shí)常遇到工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況多變、建（構(gòu)）筑物及地下管線分布密集等諸多復(fù)雜條件，盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性問題日益突出?；趯?shí)際工程需求，本文對干砂地層、穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂性土地層（如飽和砂質(zhì)粉土）這兩種典型復(fù)雜條件下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入地研究。主要工作和研究成果如下:
　　(1)采用離散元法較為深入研究了干砂

2、地層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性問題。發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)過程中開挖面支護(hù)力隨位移增大存在“先減小至極限值而后逐漸增大并趨于殘余值”的現(xiàn)象;獲得了當(dāng)隧道埋深比C/D＞1時(shí)極限支護(hù)力受埋深比影響較小的重要結(jié)論;揭示了典型埋深下（即C/D=2）開挖面漸進(jìn)失穩(wěn)模式;發(fā)現(xiàn)了極限狀態(tài)時(shí)，盾構(gòu)拱頂以上失穩(wěn)區(qū)內(nèi)存在顯著的“土拱”效應(yīng)，失穩(wěn)區(qū)內(nèi)土體出現(xiàn)“松動”現(xiàn)象。
　　(2)研制了適用于模擬單相土層（如干砂）開挖面失穩(wěn)的離心模型試驗(yàn)裝置，基于該裝置開展了密實(shí)干砂地層開

3、挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)。離心試驗(yàn)證實(shí)了離散元研究獲得的開挖面支護(hù)力—位移變化關(guān)系的可靠性，發(fā)現(xiàn)了極限支護(hù)力隨埋深比增大先增加而后基本保持不變的規(guī)律，借助PIV技術(shù)揭示了極限狀態(tài)時(shí)開挖面前方呈現(xiàn)“楔形體—棱柱體”的失穩(wěn)模式，獲得了失穩(wěn)“棱柱體”高度與隧道埋深有關(guān)的重要結(jié)論。
　　(3)研制了國內(nèi)外首套適用于模擬穩(wěn)態(tài)滲流下盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)的離心模型試驗(yàn)裝置，基于該裝置開展了國內(nèi)外首個(gè)穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)。研

4、究發(fā)現(xiàn):穩(wěn)態(tài)滲流下，開挖面失穩(wěn)過程中有效支護(hù)力隨位移增大存在“先減小至極限值而后線性增大”的現(xiàn)象;穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面極限有效支護(hù)力隨密封艙與遠(yuǎn)場水頭差增大而線性增大;極限狀態(tài)時(shí)，開挖面前方呈現(xiàn)“楔形體—棱柱體”失穩(wěn)模式，此時(shí)失穩(wěn)“棱柱體”已經(jīng)發(fā)展到地表，其高度不受隧道埋深比的影響;孔壓沿開挖面向遠(yuǎn)場逐漸增大，當(dāng)距開挖面水平距離大于0.75D后，孔壓幾乎保持不變。
　　(4)在本文離散元數(shù)值研究及離心模型試驗(yàn)的相關(guān)成果基礎(chǔ)上，圍繞失穩(wěn)

5、模式和“土拱”效應(yīng)兩方面對經(jīng)典“楔形體—棱柱體”極限平衡模型(Anagnostou& Kovari1996)進(jìn)行了修正，建立了適用于計(jì)算單相無粘性土層（如干砂）、單相粘性-摩擦型土層、穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)兩相粘性-摩擦型土層等復(fù)雜條件下開挖面極限支護(hù)力（或極限有效支護(hù)力）的修正“楔形體—棱柱體”極限平衡模型。本文修正“楔形體—棱柱體”理論模型的準(zhǔn)確性得到了筆者開展的離心模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，成功應(yīng)用于杭州地鐵1號線九堡東站—下沙西站區(qū)間盾構(gòu)工程。