透水砂层泥水平衡盾构开挖面失稳破坏机理研究

摘要

近年来，中国地下工程进入建设高峰期，盾构法施工因其具有效率高，扰动小，在国内尤其是软土、砂土地区快速的被推广应用开来。然而，伴随着盾构法的快速发展，诸多技术问题也应运而生。其中，盾构开挖施工对周边环境影响问题就是目前困扰国内隧道工程领域专家和学者们的一项难题，尤其是大直径盾构施工，其开挖面稳定是影响周边环境的主要因素。如何确保大直径盾构施工开挖面稳定，避免施工扰动对周围环境的影响是解决城市隧道工程建设问题的关键，该问题的有效解决势必将推动未来城市隧道工程的发展。然而，关于上述问题，目前国内的研究技术水平和发展速度远逊于日本和欧美各国，尤其是透水砂层大型泥水平衡盾构开挖面失稳机理和评判计算方法的研究尚存诸多不足。本文依托于南京长江隧道工程，对高透水性砂质地层中泥水平衡盾构隧道开挖面稳定性问题展开研究，通过静三轴试验、室内模型试验、数值模拟及理论计算，系统研究了不同泥浆配比、覆土厚度、水头高度和土体性质等工况下开挖面失稳特性，对高透水性砂土地层开挖面失稳的判据进行重新界定，建立了适合于砂土地层的开挖面支护力计算公式。主要研究内容包括:
　　(1)泥浆配比对开挖面土体强度的影响研究。泥水平衡盾构施工中，泥浆在开挖面形成的泥膜作为维持开挖面稳定的支护力传递介质，直接作用于开挖面土体，是影响开挖面稳定的关键因素之一。通过室内三轴试验，对比分析了不同围压下注浆前后土体性质和强度等变化特性。研究发现泥浆成膜过程中，会使砂土的粘聚力上升而内摩擦角降低，且随着围压升高，土体强度会有所增加;
　　(2)开挖面主动破坏影响因素研究。通过室内模型试验，对不同泥浆配比、覆土厚度、水头高度和土体性质等工况下开挖面主动破坏的情况进行了对比研究。研究表明，覆土厚度和水头高度对开挖面的稳定性影响较大，随着覆土厚度增加，开挖面支护力逐渐增大;开挖过程中土中渗流和超孔隙水压力变化会降低开挖面稳定性;从初始开挖到失稳整个变化过程中，存在土拱效应现象，在干砂试验中这种现象越发显著。影响开挖面稳定的因素，除土拱效应作用外，更为关键的是内摩擦角、覆土厚度和水头高度;
　　(3)泥水劈裂效应研究。在泥水盾构掘进施工过程中，泥水压力设定过高会引发泥水劈裂。从而导致泥水舱内压力急剧下降，开挖面失稳。通过室内模型试验，同样对不同泥浆配比、覆土厚度、水头高度和土体性质等工况下泥水劈裂现象进行了研究。研究表明，泥水劈裂压力与泥浆配比、水头高度和土体性质密切相关，②号泥浆的劈裂压力要明显高于①号泥浆;无水时发生劈裂需要提供的劈裂压力和时间要高于有水的情况，意味着在地层饱和时更容易发生劈裂;土体的级配、粘聚力和内摩擦角等性质直接影响泥水劈裂的效果，粉细砂的泥水劈裂压力要高于中粗砂;
　　(4)开挖面稳定评判方法研究。传统意义上开挖面破坏主要指主被动滑动破坏。而室内模型试验研究表明，在砂土中，高泥水压力下泥水劈裂比被动滑动破坏更容易发生，因此建议开挖面被动破坏的支护力上限值应以泥浆劈裂压力为准。此外，通过理论计算，提出了适用于砂质土层开挖面失稳判断的修正稳定系数法;
　　(5)支护力计算方法研究。通过理论计算，分析研究了目前常用的支护力计算公式，并通过实例验证了日本经验公式的适用性。此外，对透水砂层中泥水隧道掘进中开挖面支护力取值问题进行了参数分析，建立了透水砂层泥水盾构施工开挖面支护力经验计算公式，并给出了砂土地层中浅覆土隧道支护力比安全取值范围为1.38～2.14。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 泥水平衡盾构

1．2．1 泥水盾构工作原理

1．2．2 泥水盾构开挖面定义

1．2．3 泥膜成膜机理

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．3．1 理论计算研究

1．3．2 数值模拟研究

1．3．3 模型试验及现场观测研究

1．4 南京长江隧道工程概况

1．4．1 工程概况

1．4．2 工程地质条件

1．4．3 水文地质条件

1．4．4 工程施工难点

1．5 研究内容

1．6 研究技术路线

1．7 主要创新点

2 开挖面失稳破坏特征大尺寸模型试验研究

2．1 引言

2．2 试验对象及目的

2．3 试验内容

2．4 试验理论

2．5 试验方案设计

2．5．1 模型试验系统

2．5．2 传感器及数据采集系统

2．5．3 试验步骤

2．6 试验结果分析

2．6．1 开挖面主动破坏模型试验结果与分析

2．6．2 开挖面被动破坏模型试验结果与分析

2．7 影响因素分析

2．7．1 埋深(覆跨比)

2．7．2 水头高度

2．7．3 泥浆配比

2．7．4 土层性质

2．8 本章小结

3 泥浆配比对开挖面土体强度影响室内三轴试验研究

3．1 引言

3．2 试验对象及目的

3．3 试验内容

3．4 试验理论

3．5 试验方案设计

3．5．1 试验仪器

3．5．2 试验方法

3．6 试验结果分析

3．6．1 N1型浆液对粉细砂强度的影响研究

3．6．2 N1型浆液对中粗砂强度的影响研究

3．6．3 两种浆液对中粗砂强度的影响研究

3．7 本章小结

4 开挖面稳定影响因素数值模拟研究

4．1 引言

4．2 开挖面稳定性影响因素分析

4．2．1 计算模型与参数

4．2．2 埋深对开挖面稳定的影响

4．2．3 隧道直径对开挖面稳定的影响

4．2．4 水头高度对开挖面稳定的影响

4．2．5 土性参数对开挖面稳定的影响

4．2．6 泥浆压力对开挖面稳定的影响

4．3 影响开挖面稳定性的因素敏感性分析

4．3．1 计算模型与参数

4．3．2 砂土地层中泥浆最佳支护压力

4．3．3 影响因素敏感性分析

4．4 本章小结

5 开挖面稳定性判断方法研究

5．1 引言

5．2 既有开挖面稳定性计算理论对比分析

5．2．1 稳定系数法

5．2．2 地层损失判别法

5．2．3 极限平衡法

5．2．4 既有开挖面稳定性计算方法对比总结

5．3 开挖面稳定性修正计算理论研究

5．4 本章小结

6 开挖面极限支护力计算方法研究

6．1 引言

6．2 经典计算理论及方法简介

6．2．1 极限支护力下限值计算方法

6．2．2 极限支护力上限值计算方法

6．2．3 中粗砂地基中最小泥浆压力公式

6．3 各种计算方法计算结果对比分析

6．3．1 极限支护力试验结果

6．3．2 透水砂层浅覆土条件下最小泥浆压力计算方法对比

6．3．3 透水砂层浅覆土条件下最大泥浆压力计算方法对比

6．4 修正计算方法研究

6．4．1 支护力下限计算公式

6．4．2 支护力上限计算公式

6．4．3 支护力安全区间

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 进一步工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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