干砂和飽和砂性土中盾構開挖面穩(wěn)定數值和離心試驗研究.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法施工，由于施工中時常遇到工程地質和水文地質狀況多變、建（構）筑物及地下管線分布密集等諸多復雜條件，盾構開挖面穩(wěn)定性問題日益突出?；趯嶋H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（如飽和砂質粉土）這兩種典型復雜條件下盾構開挖面穩(wěn)定性問題進行了系統(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、地層盾構開挖面穩(wěn)定性問題。發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)過程中開挖面支護力隨位移增大存在“先減小至極限值而后逐漸增大并趨于殘余值”的現(xiàn)象;獲得了當隧道埋深比C/D＞1時極限支護力受埋深比影響較小的重要結論;揭示了典型埋深下（即C/D=2）開挖面漸進失穩(wěn)模式;發(fā)現(xiàn)了極限狀態(tài)時，盾構拱頂以上失穩(wěn)區(qū)內存在顯著的“土拱”效應，失穩(wěn)區(qū)內土體出現(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)的離心模型試驗裝置，基于該裝置開展了密實干砂地層開

3、挖面失穩(wěn)離心模型試驗。離心試驗證實了離散元研究獲得的開挖面支護力—位移變化關系的可靠性，發(fā)現(xiàn)了極限支護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技術揭示了極限狀態(tài)時開挖面前方呈現(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的重要結論。
　　(3)研制了國內外首套適用于模擬穩(wěn)態(tài)滲流下盾構開挖面失穩(wěn)的離心模型試驗裝置，基于該裝置開展了國內外首個穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質粉土地層盾構開挖面失穩(wěn)離心模型試驗。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力隨密封艙與遠場水頭差增大而線性增大;極限狀態(tài)時，開挖面前方呈現(xiàn)“楔形體—棱柱體”失穩(wěn)模式，此時失穩(wěn)“棱柱體”已經發(fā)展到地表，其高度不受隧道埋深比的影響;孔壓沿開挖面向遠場逐漸增大，當距開挖面水平距離大于0.75D后，孔壓幾乎保持不變。
　　(4)在本文離散元數值研究及離心模型試驗的相關成果基礎上，圍繞失穩(wěn)

5、模式和“土拱”效應兩方面對經典“楔形體—棱柱體”極限平衡模型(Anagnostou& Kovari1996)進行了修正，建立了適用于計算單相無粘性土層（如干砂）、單相粘性-摩擦型土層、穩(wěn)態(tài)滲流時兩相粘性-摩擦型土層等復雜條件下開挖面極限支護力（或極限有效支護力）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”理論模型的準確性得到了筆者開展的離心模型試驗的驗證，成功應用于杭州地鐵1號線九堡東站—下沙西站區(qū)間盾構工程。