滲流作用下復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施工開挖面穩(wěn)定性及控制研究.pdf

1、今年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市密集度不斷提高，城市交通逐漸惡化，環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)一步發(fā)展。為緩解地面交通壓力，改善城市交通環(huán)境，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，城市建設(shè)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅﹂_發(fā)地下空間的全新理念，盾構(gòu)法作為一種較新的施工方式，在城市地下空間的施工中的應(yīng)用也逐漸增加。但隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展以及開挖的要求越來越高，所面臨的問題也越來越多，施工過程中開挖面穩(wěn)定性的預(yù)測和控制非常困難，極易發(fā)生地表

2、沉陷、開挖面突涌水等災(zāi)害事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國的北京、上海、廣州、南京、深圳等主要城市在地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)中均發(fā)生過重大開挖面失穩(wěn)事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。針對地鐵建設(shè)環(huán)境條件復(fù)雜、地層敏感性高、控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛的特點(diǎn)，如何有效的預(yù)測和控制開挖面穩(wěn)定性，成為盾構(gòu)隧道施工的核心問題之一。
　　本文以地鐵隧道土壓平衡盾構(gòu)施工為主要研究對象，依托濟(jì)南地鐵盾構(gòu)隧道工程，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，深

3、入研究復(fù)合地層盾構(gòu)施工開挖面失穩(wěn)機(jī)理、滲流作用下開挖面失穩(wěn)破壞災(zāi)變演化特性以及失穩(wěn)防治技術(shù)體系，取得了具有一定理論價(jià)值和工程意義的研究成果，主要包括:
　　(1)總結(jié)提出了盾構(gòu)施工工法選型流程，從地層滲透系數(shù)、顆粒級配、巖土體特性和地下水狀態(tài)等方面對盾構(gòu)選型適用性進(jìn)行了總結(jié)和研究。開發(fā)了界面友好、人機(jī)交互的盾構(gòu)施工工法軟件系統(tǒng)，結(jié)合案例工程，對盾構(gòu)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境特別是穿越富水復(fù)合地層的工法選型等施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

4、　　(2)通過大量開挖面失穩(wěn)導(dǎo)致的地表塌陷和隧道突涌水災(zāi)害的系統(tǒng)收集與整理，分析了災(zāi)害的孕險(xiǎn)環(huán)境和誘發(fā)因子，揭示了典型災(zāi)害源的賦存特征，提出了開挖面失穩(wěn)孕災(zāi)性評價(jià)的指標(biāo)體系，建立了屬性識別模型。依托開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制軟件系統(tǒng)，對高風(fēng)險(xiǎn)段進(jìn)行動(dòng)態(tài)評價(jià)，提出土壓平衡盾構(gòu)施工開挖面失穩(wěn)的防控措施和應(yīng)急預(yù)案。
　　(3)基于極限分析上限定理，構(gòu)建了三維旋轉(zhuǎn)體優(yōu)化破壞模型，利用開挖面臨界破壞時(shí)外力所做功的功率與土體內(nèi)部耗散功相等的原理，推導(dǎo)了開

5、挖兩極限支護(hù)力求解公式，通過MATLAB編程計(jì)算程序，求解土壓平衡盾構(gòu)在均質(zhì)地層和復(fù)合地層開挖面失穩(wěn)臨界支護(hù)壓力。對于復(fù)合地層，分別分析了覆土層和穿越層兩種工況下隧道埋深、巖土體特性、地下水位等因素對開挖面穩(wěn)定性的影響，并將計(jì)算結(jié)果與前人提出的經(jīng)典破壞模型得出的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　(4)基于構(gòu)建的三維旋轉(zhuǎn)體優(yōu)化破壞模型，將地下水滲流作用引入到開挖面穩(wěn)定性上限分析中，推導(dǎo)了開挖面滲流力和坍塌土體中的滲流

6、力求解公式，得到了開挖面滲流力與地下水位的關(guān)系，最終求解了滲流作用下復(fù)合地層中開挖面支護(hù)壓力上限解。
　　(5)采用數(shù)值計(jì)算方法對地下水滲流作用下土壓平衡盾構(gòu)施工力學(xué)過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分別研究了盾構(gòu)在均質(zhì)地層施工和復(fù)合地層施工中，不同隧道埋深、巖土體力學(xué)特性、地下水狀態(tài)對開挖面失穩(wěn)破壞形式、開挖面變形、極限支護(hù)力以及地表變形的影響規(guī)律。
　　(6)為研究地下水滲流作用下，盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)過程中開挖面支護(hù)壓力變化規(guī)律和