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原文传递盾构掘进影响下土岩复合地层开挖面破坏机理及扰动控制研究

论文题名：	盾构掘进影响下土岩复合地层开挖面破坏机理及扰动控制研究
关键词：	土岩复合地层;开挖面稳定;土压平衡盾构;离散元模拟
摘要：	随着城市规模的不断扩大和人口的快速增加，地面交通资源逐渐达到饱和，道路交通拥挤问题日益突出，探索城市地下空间逐渐成为发展趋势。盾构机作为城市隧道建设中的主力军，在穿越地层过程中经常会遇到土岩复合地层，相较于单一均质土层或岩层，该类复合地层更容易出现因土仓压力控制不当导致开挖面失稳等工程事故。现有的开挖面稳定性理论研究未充分考虑饱和黏土粘聚力随地层深度呈线性变化的非均质特性以及复合地层中分层系数的影响，从而导致理论模型不能准确反映工程实际，针对上述问题，本文结合济南地铁R3线奥体中心西站至丁家庄东站盾构区间上覆饱和黏土下伏灰岩的复合地层特征，通过理论推导和数值模拟方法对该区间盾构隧道开挖面的失稳破坏模式及地层扰动展开研究，旨在分析盾构掘进开挖面的破坏机理，为地层变形控制提供理论依据，主要研究内容及成果如下：　　（1）为研究土岩复合地层开挖面失稳破坏机理，基于极限分析上限理论和现有均匀土层理论模型，考虑饱和黏土非均质性和分层系数的影响，构建出符合盾构穿越含有非均质黏土复合地层时开挖面对数螺旋线失稳破坏模式，通过MATLAB软件得出开挖面极限支护压力，并与行业学者理论模型计算结果进行对比，验证了优化改进后理论模型的合理性。基于构建的复合地层盾构隧道开挖面理论模型，研究分析了黏土非均质系数、分层系数对极限支护压力的影响，结果表明：隧道埋深比一定时，极限支护压力随初始粘聚力增加而线性减小，极限支护压力对非均质系数的敏感度较弱，初始粘聚力成为影响极限支护压力的决定性因素；分层系数越大，极限支护压力对于内摩擦角、粘聚力的变化越敏感。　　（2）为得到更能准确反映实际岩土体的仿真模型，基于离散单元法理论及EDEM软件，利用二次开发程序快速生成标定所需的标准试样，依据室内单轴压缩试验方法及步骤，采用EDEM进行单轴压缩仿真试验，完成Hertz-Mindlinwithbonding接触模型细观参数的标定。试验标定过程中，分别设定了可较完整还原目标岩样的力学特性的四个细观参数，其中法向接触刚度设定为1.05×108N/m3、切向接触刚度设定为7.25×107N/m3、临界法向应力设定为5×108Pa、临界切向应力设定为5×108Pa最为合适。同时借助灰色关联分析法建立了接触模型所需的细观参数与表征岩土体力学性质宏观参数之间的影响关系准则。研究结果表明：接触模型中颗粒粘结键的法向接触刚度和切向接触刚度对弹性模量的影响最大，碰撞恢复系数对其影响次之，应力比的影响最小。　　（3）为进一步研究土岩复合地层盾构隧道开挖面失稳破坏特性，基于盾构动态掘进原理，利用三维建模软件Solidworks构建了盾构机简化模型，根据工程掘进参数和所标定的岩土体参数对EDEM仿真模型进行赋值表征，以实现盾构机在土岩复合地层中动态掘进模拟过程，梯度减少掘进过程中盾构的土仓压力，确定开挖面临界失稳时的临界支护压力。通过与推导出的极限支护压力理论解进行对比，确定误差在允许范围内，进一步核验优化后理论模型的准确性。分析总结了不同分层系数下隧道埋深比和饱和黏土粘聚力等因素对土岩复合地层盾构隧道开挖面极限支护力影响规律，研究结果表明：埋深比一定时土岩复合地层开挖面横向最大位移差随分层系数增加而增大，且位移变化幅度逐渐增大；土岩分层系数一定，非均质系数??0时黏土初始粘聚力越大，黏土地层整体粘聚力增强土体自稳性能力越强，开挖面失稳时横向位移峰值越小。　　（4）为研究盾构掘进对地层扰动影响规律，基于EDEM仿真环境下盾构在土岩复合地层中动态掘进过程，通过分析盾构掘进过程中开挖面前方和土仓内土体颗粒的运动和受力规律，进一步研究了在极限支护压力作用下，盾构在不同分层系数的土岩复合地层中掘进时，其对地层的扰动规律和影响范围，结果表明：在盾构刚进入土体掘进时开挖面扰动范围及颗粒速度波动大，盾构边缘土体颗粒速度明显高于中心土体颗粒速度且颗粒有向上蠕动趋势；在不同分层系数下，盾构掘进至监测断面时的轴线处地表沉降约占整体沉降的14%～18%，地表变形也与沉降范围表现出相同的规律性，在端头至监测断面区段内，地表变形速率随着分层系数增大而增加；土仓压力设定值应在0.45~1.50bar之间，其中设定为0.80bar，动态变化控制在0.025bar左右时，更有利于土岩复合地层地表沉降控制，保证周围环境的安全。
作者：	王建才
专业：	交通运输工程
导师：	宋曙光;门燕青
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022