盾构开挖面稳定性理论与试验研究

论文摘要

随着城市化进程的加快,盾构隧道在我国需求越来越大。开挖面支护力的合理选择是盾构施工中的一项关键技术。盾构隧道施工中,合理的开挖面支护力控制,不仅能够保证开挖面的稳定,而且能够有效减少开挖对周围地层变位及构筑物的影响。近年来,由于支护力过小导致开挖面失稳施工事故在上海、广州、深圳地铁盾构隧道施工中时有发生,因此研究盾构隧道开挖面稳定性相关问题具有现实的意义。本文通过1g大尺寸模型试验、数值模拟和理论分析等手段,围绕干砂地层中盾构隧道开挖面稳定性问题开展研究,主要工作有:1)为了深入了解盾构开挖面失稳过程中土体应力场变化规律和破坏模式,设计完成了1g大尺寸模型试验(3D模型,盾构直径1m),研究了干砂地层中不同埋深比(C/D=0.5,1,2)下盾构开挖面稳定性问题。试验中分析了埋深比对开挖面极限支护力及地表沉降的影响,揭示了开挖面支护力及地表沉降与开挖面位移之间的关系。通过对开挖面前方土体应力状态变化监测,揭示了开挖面前方土拱发展规律,通过定义应力集中系数确定给出土拱边界。最后基于土拱效应提出了开挖面两阶段破坏模式。2)采用FLAC3D有限差分软件对试验结果进行模拟,并与试验结果进行对比分析。通过对开挖面失稳过程中,应力场、位移场、主应力方向及塑性区变化规律分析,进一步对试验开挖面破坏模式进行了研究。3)将前人对楔形体模型参数选取方法进行总结和分析,并基于试验和数值结果对模型存在的问题及参数的选取提出了建议。通过模型试验及数值模拟,发现了开挖面失稳过程中土体主应力轴旋转现象,并推导了基于土拱效应的侧压力系数。改进的楔形体模型计算结果与试验及数值结果具有较好的一致性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 盾构开挖面稳定性研究现状综述
• 1.2.1 理论研究现状
• 1.2.2 试验研究现状
• 1.2.3 数值模拟现状
• 1.2.4 已有研究不足之处
• 1.3 本文所做的主要工作
• 2 干砂盾构开挖面稳定性大型模型试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 模型试验
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验装置
• 2.2.3 测试系统
• 2.2.4 试验材料
• 2.2.5 试验方法
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 开挖面极限支护力
• 2.3.2 地表位移规律
• 2.3.3 土压力变化规律
• 2.3.4 开挖面失稳模式
• 2.4 本章小结
• 3 盾构开挖面稳定性数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 建模及计算说明
• 3.2.1 计算程序
• 3.2.2 建模及参数选取
• 3.2.3 模拟方法
• 3.3 试验模拟结果对比分析
• 3.3.1 开挖面极限支护力
• 3.3.2 地表位移规律
• 3.3.3 土压力变化规律
• 3.3.4 开挖面失稳模式
• 3.4 本章小结
• 4 开挖面稳定性极限平衡分析模型
• 4.1 概述
• 4.2 楔形体模型推导
• 4.3 模型参数选取讨论
• 4.3.1 楔形块顶部滑动摩擦力和粘聚摩擦力
• 4.3.2 楔形块开挖面形状
• 4.3.3 破坏面竖向土压力沿埋深分布
• 4.3.4 侧压力系数
• 4.4 考虑土拱效应的侧压力系数
• 4.4.1 开挖面前方土体主应力轴旋转现象
• 4.4.2 考虑土拱效应棱柱体侧压力系数推导
• 4.4.3 楔形体模型侧压力系数取值
• 4.5 楔形体模型的验证
• 4.5.1 楔形体模型破坏面倾角
• 4.5.2 本文改进的楔形体模型
• 4.5.3 主要理论方法与试验及数值结果对比
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 试验数据
• 1.C/D=1开挖面土压力分布规律
• 2.C/D=1土压力分布图
• 3.C/D=0.5土压力分布图
• 4.土体内部土压力盒测试数据
• 5.地表沉降测试数据
• 附录2 作者简历及发表文章情况