砂土層與巖溶交界面盾構(gòu)安全施工機(jī)理與控制技術(shù)研究.pdf

1、本研究針對(duì)砂土覆蓋型巖溶復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道施工引起的安全控制問(wèn)題，應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，深入探討了盾構(gòu)在巖溶與砂土界面附近施工引起溶洞失穩(wěn)的機(jī)理與影響因素，提出了安全施工的控制方法。基于分形理論、現(xiàn)場(chǎng)鉆探與溶洞注漿數(shù)據(jù)，提出了隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的預(yù)估方法?；跇O限平衡理論，導(dǎo)出了盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開(kāi)破壞的理論模型，并給出了臨界盾尾注漿壓力的計(jì)算公式。應(yīng)用數(shù)值方法分析了盾尾體積損失致溶洞過(guò)大變形的安全距離。

2、基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，深入探討了巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工保證溶洞安全的控制參數(shù)及其對(duì)地表沉降的影響。本研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：
　　1)隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的預(yù)估計(jì)算方法：
　　針對(duì)溶洞因分布分散、形狀各異而在實(shí)踐中難以確定體積的問(wèn)題，利用分形理論找到隧道沿線區(qū)域溶洞發(fā)育的分形規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)求得溶洞分布的分形維數(shù)，利用分形參數(shù)計(jì)算溶洞體積；再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞注漿量得到溶洞注漿量和溶洞體積的比例系數(shù)，即溶洞注漿量系數(shù)；進(jìn)而

3、根據(jù)溶洞體積和溶洞注漿量系數(shù)計(jì)算整個(gè)隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量。基于上述研究提出了采用地質(zhì)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)估算隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的理論方法與修正系數(shù)。
　　2)盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開(kāi)破壞的理論模型與盾構(gòu)安全施工臨界盾尾注漿壓力：
　　在上覆砂土巖溶地層界面附近進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工的過(guò)程中，當(dāng)盾尾注漿壓力達(dá)到一定值，應(yīng)力傳遞至洞口會(huì)誘發(fā)灰?guī)r中溶洞的洞口張開(kāi)，砂土隨著漿液流入溶洞內(nèi)，致使溶洞變形甚至破壞。針對(duì)這一問(wèn)題，基于極限平衡理論

4、，推導(dǎo)了盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開(kāi)破壞的理論模型；將盾尾注漿壓力簡(jiǎn)化為環(huán)向均布力，基于半無(wú)限彈性平面內(nèi)圓孔受均布力的Verruijt復(fù)變函數(shù)解答，推導(dǎo)出溶洞洞口張開(kāi)量的計(jì)算公式，并基于該公式得到臨界盾尾注漿壓力。臨界盾尾注漿壓力隨溶洞與隧道垂直距離的增大而減小，隨著隧道直徑的增大而增大，隨著隧道埋深的增大而減小。利用上述導(dǎo)出的公式分析確定了廣州地鐵9號(hào)線區(qū)間隧道施工的臨界盾尾注漿壓力。
　　3)盾尾體積損失致溶洞過(guò)大變形的安全距離：

5、
　　針對(duì)盾尾體積損失致溶洞過(guò)大變形的問(wèn)題，應(yīng)用數(shù)值方法，建立了三維隧道開(kāi)挖分析的數(shù)值模型，分析盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起溶洞變形的規(guī)律：
　?、佼?dāng)溶洞位于隧道下方時(shí)，溶洞洞頂?shù)呢Q向位移隨著溶洞與隧道垂直距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大，深埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移小于淺埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移。溶洞在豎直平面的表現(xiàn)為“壓扁”的橢圓形變形，在水平面表現(xiàn)為向外的“擴(kuò)張”變形。溶洞變形量隨著溶洞與隧道距離的增大而減小，

6、隨著溶洞直徑的增大而增大。深埋隧道產(chǎn)生的變形較淺埋隧道小。
　?、诋?dāng)溶洞位于隧道側(cè)方時(shí)，溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移隨溶洞與隧道水平距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大，深埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移小于淺埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移；溶洞近隧道一側(cè)的變形比遠(yuǎn)隧道一側(cè)的變形大。溶洞的變形隨溶洞與隧道水平距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大。深埋隧道產(chǎn)生的隧道變形較淺埋隧道小。廣

7、州地區(qū)隧道與溶洞的安全垂直距離為1.9倍隧道直徑，隧道與溶洞的安全水平距離為2.1倍隧道直徑。
　　4)巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工的安全控制參數(shù)及其對(duì)地表沉降的影響：
　　根據(jù)廣州地鐵9號(hào)線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了地質(zhì)條件（溶洞分布與大?。⒍軜?gòu)尺寸、施工參數(shù)對(duì)隧道軸線偏差與地表沉降的影響規(guī)律，提出了保護(hù)環(huán)境的盾構(gòu)施工控制工藝與參數(shù)。施工參數(shù)的影響為：總推力隨著刀盤(pán)扭矩的增大而增大；掘進(jìn)速度隨著螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大；通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)速度和

8、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的大小控制土壓力。在巖溶地層砂土灰?guī)r界面進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，垂直軸線要低于盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線，須根據(jù)渣土判斷掌子面軟土和巖石比例，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，避免產(chǎn)生過(guò)大的地表沉降。巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道上方地表沉降滿(mǎn)足 Peck公式中提出的沉降槽規(guī)律，地層損失率范圍為1.1%~2.5%。盾構(gòu)通過(guò)砂土灰?guī)r復(fù)合地層時(shí)，地表沉降較大，最大值達(dá)85.8mm。建立了考慮隧道尺寸、地質(zhì)條件、隧道施工三個(gè)方面15個(gè)參數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，利用該模型可很