成都地铁砂卵石层地层特性及变形机理研究

摘要

成都地区砂卵石地层分布广泛，相较于一般地层，砂卵石地层性质特殊，在盾构施工中更容易出现较大的地层变形，造成地面沉降，严重时发生大面积坍塌。目前，关于砂卵石地层在盾构施工条件下地层变形的研究仍处于基础阶段，还不能完全解决实践中出现的问题。本文在成都地铁建设已有资料上，以成都地铁4号线西延线为基础，对砂卵石地层的地层特性进行总结，对盾构施工条件下砂卵石层的变形机理进行分析、研究。
　　本论文的主要研究内容和成果如下:
　　1、成都地区砂卵石地层成因由上更新冲洪积成因至中更新冰碛、冰水堆积、冲洪积成因逐渐转换为晚更新世冰水～流水堆积成因，直至现代的河流阶地～河漫滩成因;砂卵石层主要分布于平原部分，大多数厚度13～27米，最大厚度可超30米，埋深1～3米，最大埋深可超7米。横向上，由北西向南东，砂卵石层埋深由小到大，含泥量由少到多，砂卵石比由小到大。纵向上砂卵石地层自老到新，风化程度渐减弱;卵石层密实度及承压力随深度增加。
　　2、对研究区砂卵石层地层特性研究发现，砂卵石地层为非连续级配地层，粒径大于20mm质量占比在55％～90％之间，在地层组份中占绝对比重。研究区砂卵石形态特征差异不大，主要呈球状或椭球状，表面光滑摩擦系数小。砂卵石的排列方式为叠瓦式排列，粒径从东到西越来越大，卵石圆度、球度表现为从西到东越来越好。漂石的总体分布特征表现为:从西向东含量逐渐降低，由浅至深粒径逐渐增大。区间漂石含量均在0.75％以上，主要集中在深度10m～30m。漂石的平均天然抗压强度为157Mpa，抗荷能力强。砂层透镜体在区间分布较为均匀，级配较好，颗粒间含水量的变化是其液化流失的主要诱因。
　　3、研究区砂卵石层工程地质特性整体较差;砂卵石层在盾构情况下的地层稳定性很差，地层互层情况严重（大粒径差，地层互层，砂、卵石互层），使得不同层地层工程特性不一。开挖面不同区域差异较大，造成开挖面稳定性降低;砂卵石层自稳性差，在受到外力扰动的情况下，会出现区域性掉块、垮塌，地层结构不稳定。
　　4、通过对盾构的施工原理和地层盾构施工过程中响应情况的分析，得出砂卵石地层变形的主要原因是地层损失，并分析了地层损失的组成，得到了砂卵石层地层变形规律。
　　5、针对砂卵石层离散性大、基本没有粘聚力、整体强度低单体强度高等显著特性，本文选用颗粒离散元法(PFC2D)对砂卵石层在盾构开挖过程中的变形情况进行模拟，得出了盾构施工时砂卵石层的变形情况、应力变化情况;同时还对砂卵石地层结构、漂石、砂层透镜体对地层变形的影响情况进行了模拟。
　　6、结合砂卵石地层变形分析和数值模拟，确定了盾构施工过程中控制地层变形的关键控制区域为一拱形区域，位于隧道上部，厚度为0.5D（D为隧道直径），其横向范围由沉降槽宽度(W)及隧道中线埋深(H)决定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 砂卵石地层工程地质特性研究

1．2．2 砂卵石地层变形研究

1．3 研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法和技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

第二章 工程地质特征

2．1 工程概况

2．2 成都地区工程地质条件

2．2．1 地理及气象特征

2．2．2 地形地貌

2．2．3 地层岩性

2．2．4 水文地质

2．2．5 地质构造

2．3 研究区工程地质条件

2．3．1 地层岩性

2．3．2 水文地质条件

第三章 砂卵石层地层特性研究

3．1 成都地区砂卵石层成因及分布

3．1．1 砂卵石层成因

3．1．2 砂卵石层的分布

3．1．3 研究区砂卵石层的成因及类型

3．2 研究区砂卵石层粒径特征分析

3．3 研究区砂卵石形态特征分析

3．3．1 砂卵石的颗粒形态分析

3．3．2 砂卵石定向排列方位分析

3．3．3 对比分析

3．4 研究区漂砾和砂层透镜体特征

3．4．1 漂石分布情况及特性

3．4．2 砂层透镜体分布及特性

3．5 砂卵石层工程地质特性

3．5．1 地层互层性

3．5．2 地层稳定性

3．5．3 地层可开挖性

3．6 小结

第四章 盾构法施工地层响应和地层变形机理

4．1 盾构施工原理

4．2 盾构施工地层响应

4．3 盾构开挖造成地层变形机理

4．3．1 地层变形原因

4．3．2 地层损失的组成及作用机理

4．4 盾构施工地层变形规律

4．4．1 地层变形时间规律

4．4．2 地层变形空间规律

4．4．3 实测地表变形分析

4．5 小结

第5章 砂卵石层地层变形数值模拟

5．1 颗粒离散元的基本理论

5．1．1 颗粒离散元的基本思想

5．1．2 颗粒离散元的计算原理

5．I．3 颗粒离散元本构关系

5．2 离散元数值模型

5．3 结果分析

5．3．1 变形分析

5．3．2 接触力分析

5．4 地层结构对地层变形的影响

5．5 漂石对地层变形的影响

5．6 透镜体对地层变形的影响

5．7 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要参与科研项目