砂层地基盾构隧道开挖面被动破坏支护力研究

摘要

随着我国城市化进程的加快,城市人口不断增加,大城市里的交通压力愈演愈烈。地铁作为节约城市地上空间、缓解交通压力的重要工具,目前在国内的大中城市正在大量兴建。由于地铁多穿越城市建筑物密集的街道市区,因此要求施工对周围环境影响小。盾构法施工以其安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、不同地质条件适应性强、对城市建筑物的影响小等优点得以在地铁施工中广泛采用。在盾构法施工中,支护力过大极易造成地表隆起,导致开挖面前方土体发生被动破坏,因此,研究开挖面被动破坏机理和极限支护力具有极大的工程意义。本文首先通过有限元方法对砂土中盾构隧道开挖面支护力过大造成的被动破坏进行模拟。通过大量工况的计算对比,对开挖面被动破坏极限支护力进行总结分析,指出浅埋隧道易发生被动破坏,开挖面支护力控制难度大。另外对开挖面前方土体在发生被动破坏时的破坏模式进行研究分析。其次对浙江大学与香港科技大学合作开展的盾构隧道被动破坏离心机试验的准备阶段和试验过程进行了详细的介绍。试验一方面得到了开挖面的荷载位移曲线,用于确定被动破坏极限支护力,另一方面得到了被动破坏时的土体位移增量场,用于揭示开挖面前方土体的被动破坏模式。采用有限元模拟的方法,对离心机试验中开挖面被动破坏的支护力进行了核算,对开挖面被动破坏模式做进一步数值分析,计算所得结果与试验所测的值吻合良好。综合分析盾构隧道开挖面被动破坏有限元模拟以及离心机试验的结果,本文提出基于极限平衡法的三维楔形体模型,该模型基于砂土的摩尔库伦破坏准则,用于计算盾构隧道被动破坏极限支护力。采用极限平衡法推导出开挖面被动破坏极限支护力的计算公式,由此计算所得的结果与有限元和离心机试验所得数据相吻合。并通过大量案例的计算,揭示开挖面被动破坏支护力随土体参数的演变规律。综上,本文所提的数值模拟方法和被动破坏三维楔形体模型的极限平衡公式可以很好地预测盾构隧道被动破坏支护力,为确定盾构隧道施工中开挖面支护力的上限值提供参考。

目录

致谢

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 盾构法施工介绍

1.3 文献综述

1.3.1 理论研究现状

1.3.2 数值模拟

1.3.3 试验法

1.4 本文主要研究内容

第二章 开挖面被动失稳数值模拟研究

2.1 概述

2.2 建模及计算说明

2.2.1 计算程序

2.2.2 计算工况与土体参数选取

2.2.3 建模及计算过程

2.3 计算结果分析

2.3.1 开挖面被动破坏模式

2.3.2 开挖面被动破坏极限支护力

2.4 本章小结

第三章 开挖面被动破坏离心模型试验

3.1 概述

3.2 模型试验基本概念和基本原理

3.2.1 相似模型试验基本概念

3.2.2 物理量的相似

3.2.3 物理过程相似

3.2.4 相似三定理

3.3 试验介绍

3.3.1 开挖而被动破坏离心试验概况

3.3.2 试验过程

3.3.3 试验结果

3.4 数值建模及计算说明

3.5 数值模拟结果

3.5.1 开挖面被动破坏模式

3.5.2 开挖面支护力

3.6 本章小结

第四章 开挖面被动破坏极限平衡模型

4.1 概述

4.2 传统三维楔形体模型

4.3 三维楔形体模型推导

4.3.1 模型条件假设

4.3.2 楔形体计算公式推导

4.4 三维楔形体模型可靠性验证

4.5 开挖面被动破坏支护力分析

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录 作者简历及发表文章情况