盾構(gòu)掘進(jìn)對砂卵石地層的擾動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、城市地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工已發(fā)展成為趨勢，地鐵隧道所穿越地層的工程地質(zhì)條件成為影響盾構(gòu)隧道安全施工的關(guān)鍵因素。我國地域幅員遼闊，地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)隧道穿越特殊復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)將面臨許多亟待解決的技術(shù)難題。砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間無粘聚力，無水狀態(tài)下，卵石顆粒之間點(diǎn)對點(diǎn)傳力，在盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)作用下，地層反應(yīng)靈敏，地層原有的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)很容易受到破壞，形成地層損失和圍巖擾動(dòng)。后期在地下水、地面荷載等作用下，地

2、層損失逐漸發(fā)展至地表，導(dǎo)致地面坍塌。
　　論文以我國城市地鐵區(qū)間隧道在砂卵石地層中掘進(jìn)為工程背景，結(jié)合國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）課題“復(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的長期安全性及其預(yù)測方法”和西南交通大學(xué)博士創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目“盾構(gòu)掘進(jìn)對砂卵石地層的擾動(dòng)機(jī)理研究”開展研究。綜合采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法，探討砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)機(jī)理，通過室內(nèi)掘進(jìn)試驗(yàn)和顆粒離散元軟件從宏觀和細(xì)觀層面上研究盾構(gòu)掘進(jìn)對砂

3、卵石地層的擾動(dòng)特性，取得主要成果如下:
　　1、分析了砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動(dòng)機(jī)理和滯后沉降的形成原因，建立了二維顆粒離散元分析模型，得到了盾構(gòu)掘進(jìn)對開挖面前面土體和洞周土體的擾動(dòng)性態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出了針對砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體擾動(dòng)分區(qū)示意圖。從細(xì)觀層面上分析了滯后沉降的發(fā)展過程和影響因素，提出了減小滯后沉降形成的控制措施。
　　2、研制了盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括Φ800mm土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)、盾構(gòu)始發(fā)裝置、管片襯

4、砌結(jié)構(gòu)及其它附屬設(shè)備。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)砂卵石地層的物理力學(xué)參數(shù)、顆粒級配曲線、渣土改良和地層加固方案。結(jié)合砂卵石地層特性，建立了適用于砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的計(jì)算公式。
　　3、采用Φ800mm土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)開展了盾構(gòu)穿越砂卵石地層的室內(nèi)掘進(jìn)試驗(yàn)，從地層橫、縱斷面分析了盾構(gòu)在掘進(jìn)不同階段引起的地層擾動(dòng)特點(diǎn)，得到了不同埋深地層的變形特點(diǎn)和擾動(dòng)范圍。分析了盾構(gòu)在實(shí)施渣土改良、地層加固等措施后的掘進(jìn)參數(shù)變化特點(diǎn)以及

5、地層變形動(dòng)態(tài)響應(yīng)，探討了盾構(gòu)在不同掘進(jìn)區(qū)段時(shí)掘進(jìn)參數(shù)之間的相互關(guān)系，對比分析了盾構(gòu)在穿越不同級配砂卵石地層時(shí)的重要掘進(jìn)參數(shù)，建立了不同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。
　　4、采用顆粒離散元方法建立了包含土倉、盾構(gòu)刀盤、螺旋出土器以及掘進(jìn)土槽的土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)分析模型，對砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)全過程進(jìn)行了模擬，從土體顆粒位移、接觸狀態(tài)和地層應(yīng)力狀態(tài)方面分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動(dòng)范圍、沉降形態(tài)以及地層動(dòng)態(tài)移動(dòng)變化規(guī)律;建立了盾構(gòu)項(xiàng)推速度、