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原文传递软黏土地层盾构隧道开挖面失稳扩展规律和演化机理研究

论文题名：	软黏土地层盾构隧道开挖面失稳扩展规律和演化机理研究
关键词：	盾构隧道;开挖面失稳;软黏土;透明土;土拱效应
摘要：	软黏土地层盾构隧道施工中开挖面失稳会引起土体滑移破坏，认清开挖面失稳过程土体运动和压力变化规律对盾构隧道安全施工具有重要意义。目前研究主要集中在土体最终失稳形态和失稳模型建立，以及基于极限状态的开挖面支护力确定等内容，对开挖面失稳过程土体运动和土压力变化时空演化规律的研究较少。因此，本文针对软黏土地层盾构隧道开挖面失稳现象，采用室内模型试验、离心模型试验、数值模拟和理论分析等手段，从土体运动、土压力和土拱效应演化角度，进行了盾构开挖面失稳扩展规律和演化机理研究。主要研究内容如下：　　1.设计了一套透明黏土盾构隧道开挖面失稳模型试验装置，该装置由透明土材料、模型箱系统、测量系统和计算系统四部分组成。改进传统的拍照测量方法，通过在自水平光学平台上设计并安装带刻度水平导轨和平台板，透明黏土模型箱随导轨精准平移，可同时进行多截面无扰动稳定拍照测量。提出了透明黏土最优可视度配制方法，控制十五号白油、正十二烷的体积比和无定形硅粉、混合液体的固液质量比分别为10：0.8和1：0.6时，获得可视厚度大于15cm的透明黏土。提出了精准定配比、静置全溶解、高稳真空度、预压增强度和示踪巧识别的透明黏土批量配制技术，保证了模型试验顺利进行。　　2.开展了透明黏土盾构隧道开挖面失稳模型试验，分析了失稳过程中土体运动扩展规律和失稳分阶段、分区特征。土体运动过程表现为：开挖面正前方松动土体带动上方土体向隧道内部一起运动形成松动区，周围土体扰动扩展和运动范围持续扩大，最终快速滑移发生整体失稳。基于土体运动特点，明确了开挖面失稳引起土体松弛运动、扰动扩展和失稳滑移的三阶段特征，提出将上方土体运动、空间扰动扩展和前方位移倍增分别作为划分三个阶段的特征依据。基于最大位移梯度线和竖向位移矢量边界线指标确定了松动区和扰动区的失稳影响区域轮廓，定量确定松动区和扰动区范围。研究了失稳不同阶段地表横、纵截面沉降槽的形态变化规律，获得槽宽经验参数变化范围。　　3.开展了软黏土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验和数值模拟，明确了开挖面失稳过程支护力变化规律，研究了开挖面失稳过程中三向土压力时空变化规律。开挖面失稳过程支护力呈现快、缓和稳的三阶段变化规律，开挖面支护力-位移曲线中未呈现支护力反弹现象，比对应砂土地层更慢达到极限值，极限支护力值为5~7%初始竖向土压力。竖向压力随开挖面板后退逐渐降低，竖向土拱率小于1.0，且距隧道截面越远，竖向土拱率越大。在隧道中心轴线高度处，纵向土拱率小于对应竖向土拱率。纵向土压力和横向土压力随开挖面板后退沿竖向均呈现降低、增长两种不同的变化特征。C/D=1.0时，在隧道中心轴线水平面内隧道截面前方0.5D以外区域，纵向土压力和横向土压力的变化比竖向土压力更加显著。相比传统开挖面失稳分析中仅对竖向土压力变化规律进行的研究，提出应同时研究三向土压力的时空变化规律。　　4.根据软黏土地层盾构开挖面失稳三向土压力和侧压力系数变化规律，明确了空间土拱效应的形成机制和演化过程，定性分析了拱区内拱轴线和拱脚，以及松动区和稳定区的空间位置，定量刻画了空间拱区边界。提出了纵向侧压力系数和横向侧压力系数随开挖面失稳分别呈递增和递减变化规律的区间范围。提出空间土拱效应作用下，侧压力系数沿埋深方向、纵向侧压力系数沿纵向和横向侧压力系数沿横向的变化曲线均呈“S”形的空间分布规律。定量研究了松动区、拱区和扰动区内侧压力系数值的变化范围分别为小于静止侧压力系数K0、大于K0和K0±0.1。以竖向土压力沿竖向和纵向土压力沿纵向变化曲线的拐点分别作为竖向拱区和水平拱区内边界，以竖向拱比绝对值∣ARz∣为1~2%和纵向拱比绝对值∣ARy∣为4~5%的点分别作为竖向拱区和水平拱区外边界的拱区边界确定标准，得到了空间拱区内、外边界。　　5.基于软黏土地层盾构开挖面失稳土体运动和土压力时空变化规律，建立了考虑渐进失稳特征和土拱演化的开挖面失稳组合模型。C/D=1.0时，考虑土体整体失稳滑移，建立了上部垂直贯通柱体+下部对数螺线旋转体的失稳组合模型。针对深埋地层，考虑土体局部滑移和土拱演化，建立了两阶段失稳组合模型，包括上部悬链线旋转体+下部对数螺旋线旋转体失稳组合模型和上部锥体+下部对数螺旋线旋转体失稳组合模型。C/D=2.0时，上部模型采用Terzaghi松动土压力计算方法得到底面土压力，深埋条件下上部模型利用拱结构计算理论得到底面土压力，下部模型采用条分法得到其顶面承载力表达式，建立极限平衡方程，利用Matlab建模求解得到开挖面极限支护力数值解。验证了失稳组合模型的可靠性和拱形结构计算方法的可行性，分析了黏聚力、内摩擦角和埋深比对开挖面极限支护力的影响，得到了盾构开挖面失稳不同阶段极限支护力的确定方法，为开挖面施工安全控制提供依据。
作者：	刘敏
专业：	土木工程
导师：	雷华阳
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2021