盾构掘进对砂卵石地层的扰动机理研究

摘要

城市地铁区间隧道采用盾构法施工已发展成为趋势，地铁隧道所穿越地层的工程地质条件成为影响盾构隧道安全施工的关键因素。我国地域幅员辽阔，地质条件错综复杂，盾构隧道穿越特殊复杂地质条件时将面临许多亟待解决的技术难题。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间无粘聚力，无水状态下，卵石颗粒之间点对点传力，在盾构掘进扰动作用下，地层反应灵敏，地层原有的相对稳定或平衡状态很容易受到破坏，形成地层损失和围岩扰动。后期在地下水、地面荷载等作用下，地层损失逐渐发展至地表，导致地面坍塌。
　　论文以我国城市地铁区间隧道在砂卵石地层中掘进为工程背景，结合国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法”和西南交通大学博士创新基金资助项目“盾构掘进对砂卵石地层的扰动机理研究”开展研究。综合采用理论分析、模型试验、数值模拟等研究方法，探讨砂卵石地层中盾构掘进引起的地层扰动机理，通过室内掘进试验和颗粒离散元软件从宏观和细观层面上研究盾构掘进对砂卵石地层的扰动特性，取得主要成果如下:
　　1、分析了砂卵石地层中盾构掘进对地层的扰动机理和滞后沉降的形成原因，建立了二维颗粒离散元分析模型，得到了盾构掘进对开挖面前面土体和洞周土体的扰动性态，在此基础上提出了针对砂卵石地层盾构掘进引起的土体扰动分区示意图。从细观层面上分析了滞后沉降的发展过程和影响因素，提出了减小滞后沉降形成的控制措施。
　　2、研制了盾构掘进试验系统，包括Φ800mm土压平衡式盾构机、盾构始发装置、管片衬砌结构及其它附属设备。结合室内试验，得到了试验砂卵石地层的物理力学参数、颗粒级配曲线、渣土改良和地层加固方案。结合砂卵石地层特性，建立了适用于砂卵石地层中盾构掘进参数的计算公式。
　　3、采用Φ800mm土压平衡式盾构掘进试验系统开展了盾构穿越砂卵石地层的室内掘进试验，从地层横、纵断面分析了盾构在掘进不同阶段引起的地层扰动特点，得到了不同埋深地层的变形特点和扰动范围。分析了盾构在实施渣土改良、地层加固等措施后的掘进参数变化特点以及地层变形动态响应，探讨了盾构在不同掘进区段时掘进参数之间的相互关系，对比分析了盾构在穿越不同级配砂卵石地层时的重要掘进参数，建立了不同盾构掘进参数间的数学模型。
　　4、采用颗粒离散元方法建立了包含土仓、盾构刀盘、螺旋出土器以及掘进土槽的土压平衡式盾构掘进分析模型，对砂卵石地层中盾构掘进全过程进行了模拟，从土体颗粒位移、接触状态和地层应力状态方面分析了盾构掘进对地层的扰动范围、沉降形态以及地层动态移动变化规律;建立了盾构项推速度、刀盘转速、出土率等掘进参数与地层扰动的相互联系。
　　随着国家进一步开放城市地铁建设的权限，越来越多的城市将会加入到地铁建设的浪潮，地铁盾构隧道建设也将面临更多、更复杂的技术挑战。本论文研究成果可为研究盾构隧道施工对地层的扰动影响，尤其是类似砂卵石这种离散性地层，保障盾构隧道的安全掘进和减小盾构掘进对周围环境的影响提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 经验公式

1．2．2 理论分析

1．2．3 模型试验

1．2．4 现场测试

1．2．5 数值模拟

1．2．6 其它研究方法

1．3 存在的问题

1．4 本文研究内容和方法

第2章 砂卵石地层盾构扰动机理及滞后沉降分析

2．1 土压平衡式盾构施工基本流程

2．2 盾构掘进引起的地层扰动

2．2．1 砂卵石地层扰动机理

2．2．2 砂卵石地层扰动的细观分析

2．3 滞后沉降形成过程及影响因素

2．3．1 滞后沉降形成原因及发展过程

2．3．2 滞后沉降影响因素分析

2．3．3 滞后沉降控制措施

2．4 本章小结

第3章 盾构试验系统的研制和介绍

3．1 土压平衡式盾构机基本参数

3．1．1 盾构机基本尺寸

3．1．2 盾构机装备推力

3．1．3 刀盘装备掘削扭矩

3．1．4 螺旋出土器装备扭矩

3．2 土压平衡式盾构机基本组成

3．2．1 推进系统

3．2．2 掘削系统

3．2．3 出土系统

3．2．4 盾构机总装图

3．3 盾构机控制台

3．4 掘进试验土槽改造

3．5 管片衬砌结构

3．6 本章小结

第4章 砂卵石地层盾构室内掘进试验

4．1 砂卵石地层特性

4．1．1 砂卵石地层力学参数

4．1．2 砂卵石地层颗粒级配曲线

4．1．3 砂卵石地层渣土改良试验研究

4．2 盾构掘进参数初设

4．2．1 盾构顶推力和顶推速度

4．2．2 刀盘扭矩和转速

4．2．3 螺旋出土器转速和出土率

4．3 掘进试验量测项目及试验步骤

4．3．1 位移量测

4．3．2 掘进参数量测

4．3．3 隔舱土压力和管片外荷载量测

4．3．4 其它量测

4．3．5 试验步骤

4．4 盾构试掘进结果和分析

4．4．1 盾构试掘进概况

4．4．2 盾构试掘进区段出现的问题和分析

4．4．3 试掘进区段地层变形分析

4．4．4 试掘进区段盾构掘进参数分析

4．5 考虑渣土改良后盾构掘进结果和分析

4．5．1 渣土改良概况

4．5．2 盾构掘进对砂卵石地层的扰动及分析

4．5．3 盾构掘进参数分析

4．6 考虑地层处理后盾构掘进结果和分析

4．6．1 砂卵石地层处理材料选择

4．6．2 砂卵石地层处理试验研究

4．6．3 处理后的砂卵石地层

4．6．4 盾构掘进试验结果

4．6．5 地层变形分析

4．6．6 盾构掘进参数分析

4．7 盾构掘进各参数间关系分析

4．7．1 盾构顶推力与刀盘扭矩的关系

4．7．2 刀盘扭矩与盾构推进速度的关系

4．7．3 盾构顶推力与推进速度的关系

4．7．4 盾构顶推力与螺旋出土器转速和推进速度比值的关系

4．8 本章小结

第5章 颗粒离散元相关理论及计算参数标定

5．1 颗粒流的基本思想

5．1．1 颗粒流的基本假设

5．1．2 颗粒流的基本思路

5．1．3 颗粒流的特点

5．2 颗粒流的基本理论

5．2．1 力—位移定律

5．2．2 运动定律

5．2．3 边界和初始条件

5．3 接触本构关系

5．3．1 刚度模型

5．3．2 滑动模型

5．3．3 粘结模型

5．4 细观计算参数标定方法

5．4．1 砂卵石地层细观计算参数标定方法

5．4．2 细观参数对土体宏观力学特性的影响

5．4．3 砂卵石土体宏观物理力学参数的计算

5．4．4 不同级配砂卵石地层的细观计算参数

5．5 本章小结

第6章 盾构掘进对砂卵石地层扰动的模拟分析

6．1 离散元数值模型

6．1．1 三维数值模型的建立

6．1．2 盾构掘进动态过程的数值模拟

6．1．3 研究内容及测量球布置

6．2 盾构掘进对砂卵石地层扰动的数值结果分析

6．2．1 横、纵断面地层的移动分析

6．2．2 土体颗粒接触状态分析

6．2．3 地层应力状态分析

6．3 盾构掘进参数与地层扰动的相互影响

6．3．1 出土率对地层扰动的影响分析

6．3．2 刀盘转速对地层扰动的影响分析

6．3．3 盾构顶推速度对地层扰动的影响分析

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研成果

攻读博士学位期间参加科研情况