浅埋盾构隧道施工稳定机制的连续极限分析

摘要

浅埋盾构隧道在施工的过程中，管片衬砌结构与地层之间的空隙需要通过注浆来填充。如果注浆压力太小可能就会导致地层的位移过大，从而对邻近的结构产生不利的影响甚至引起地层的塌落。对于盾构的开挖面，同样需要合适的支护力来维持稳定。本文针对黏性土层中的浅埋隧道，采用上界极限分析理论，考虑地层的连续位移模式与局部建筑荷载的作用，研究了盾构施工的稳定机制，内容及成果如下:
　　(1)针对不排水粘土地层浅埋盾构隧道施工围岩的稳定机制问题，采用Osman横向平面应变破坏模式，隧道开挖引起的地层位移服从派克型经验公式分布模式，对派克公式进行变形并引入参数控制塑性变形区域的范围。认为位移场与速度场成一定的比例关系，应用极限分析中的上限定理，编制Matlab程序求出支护力的下界值。分析了参数对地面超载系数的影响:通过改变隧道埋深、土体重度以及土体的抗剪强度的均质性，研究各个参数变化对地面超载系数的影响规律。
　　(2)对Osman平面应变模型，当有局部荷载（箱基和桩基）时，研究局部荷载对维持隧道围岩稳定所需支护力的影响。对箱基荷载，分析了箱基荷载的大小和位置对维持隧道围岩稳定所需支护力下界的影响;对桩基荷载分析了桩基荷载大小、桩基位置和桩基长度对维持隧道围岩稳定所需支护力下界的影响。
　　(3)对开挖面的稳定机制问题，描述了派克型经验公式的位移场分布情况;验证了派克经验公式发生塑性变形时体积应变为零，建立合适的破坏模式。编制Matlab程序求解维持盾构隧道开挖面稳定所需的支护力下界值，并分析埋深对维持隧道开挖面稳定所需的最小支护力的影响。
　　(4)对开挖面附近有局部荷载（箱基和桩基）的情形下，对箱基荷载，分析箱基荷载的大小和位置对维持隧道开挖面稳定所需支护力下界的影响;对桩基荷载分析了桩基荷载大小、桩基位置和桩基长度对维持隧道开挖面稳定所需支护力下界的影响。

目录

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和研究目的

1．2 研究现状

1．2．1 极限平衡分析法

1．2．2 刚性块体极限上限法

1．2．3 连续位移场极限上限分析法

1．2．4 数值模拟

1．2．5 现场量测与模型试验

1．3 研究内容与研究方法

2 极限分析基本理论

2．1 基本假设

2．2 屈服准则和流动法则

2．3 虚功原理的两种形式

2．4 极限分析上下限定理

3 盾构隧道施工稳定机制的连续二维极限分析

3．1 地层的横向二维塑性位移模式及应变

3．2 稳定系数的计算理论及位移模式参数分析

3．3 计算结果对比

3．4 隧道几何参数和地层物理参数影响分析

3．4．1 隧道埋深对地面超载系数的影响

3．4．2 土体抗剪强度非均质参数对地面超载系数的影响

3．4．3 土体重度对地面超载系数的影响

3．5 局部荷载对维持隧道围岩稳定支护力下界的影响分析

3．5．1 局部均布荷载对维持隧道围岩稳定支护力下界的影响

3．5．2 地下桩基荷载对隧道围岩稳定性的影响

3．6 本章小结

4 盾构隧道施工稳定机制的连续三维极限分析

4．1 地层的三维塑性位移模式及应变

4．2 盾构隧道开挖面最小支护压力计算理论

4．2．1 塑性区的确定

4．2．2 计算区域网格划分

4．2．3 土体重力功率计算

4．2．4 开挖面支护力功率计算

4．2．5 地表超载功率计算

4．2．6 土体内部的耗散能计算

4．3 计算结果对比

4．4 局部荷载对开挖面支护力的影响

4．4．1 地表局部均布荷载对开挖面支护力下界的影响

4．4．2 桩基荷载对开挖面支护力下界的影响

4．5 小结

5 结论

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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