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原文传递考虑渗流的粉土地层土压平衡盾构隧道开挖面稳定性研究

论文题名：	考虑渗流的粉土地层土压平衡盾构隧道开挖面稳定性研究
关键词：	土体变形;失稳模式;土压平衡盾构;开挖面稳定;钱塘江粉土;有限差分法;极限支护压力
摘要：	为了解决城市交通拥堵问题，很多的城市开始大量修建轨道交通。盾构法凭借自身优势成为城市地下空间工程施工的主要手段。土压平衡盾构在穿越饱和粉土地层时，地下水与土舱之间的高水压差会产生过大的指向开挖面的渗透力，使土体产生更大的变形，导致开挖面失稳。为了保证施工安全，探寻渗流条件下粉土地层开挖面失稳模式、开挖面极限支护压力的计算及土体变形规律，对饱和粉土地层盾构开挖面稳定性问题进行深入的研究。主要研究内容和成果如下: 　　(1)基于标准固结试验，分析得到钱塘江粉土弹性模量随埋深变化的曲线，发现在埋深0～20m范围内，变化均为非线性。当盾构隧道轴线位于地下7.5m处，轴线处五种不同模量值最小27.81MPa，最大45.96MPa。　　(2)应变软化本构模型参数分析中发现剪应变是轴向应变的1.5倍。基于胡琦三轴卸载试验偏应力-应变结果，分析得到钱塘江粉土的应变软化内摩擦角。剪应变为4.7％时内摩擦角达到峰值为25°，剪应变为7.4％时内摩擦角达到残余值为21°，在4.7％～7.4％之间线性减小。　　(3)基于汤旅军离心机模型试验，采用有限差分软件FLAC3D建立39组数值模型，研究了本构模型及土体弹性模量对开挖面稳定性分析的影响，得到适用于饱和粉土的本构模型及最贴合土体特性的土体参数。研究发现开挖面渗流情况下，与摩尔库伦本构模型相比，应用应变软化本构模型缩小了数值模拟与离心机试验结果的误差，提高了数值模拟结果的精度。极限支护压力最小误差为3.1％，地表沉降误差为5.67％;土体弹性模量对开挖面极限支护压力影响较小，而对土体变形存在不容忽略的影响。　　(4)对盾构隧道开挖面稳定性展开参数敏感性分析。建立88组分析模型，研究了不同开挖面渗透情况、土体强度参数、埋深比和水深比对盾构隧道开挖面稳定性的影响。基于88组分析模型，提出饱和粉土地层开挖面无渗流情况下极限支护压力和开挖面渗流情况下渗透力计算公式。当内摩擦角φ=30°，埋深比为1时，水深比在1.5～4.5，开挖面无渗流情况下极限支护压力为72.68～208.154kPa，开挖面渗流情况下渗透力为33.25～106.75kPa 　　(5)通过对不同工况下土体地表横向和纵向沉降分析，发现开挖面渗流情况下的沉降槽宽度系数及土体损失率均大于开挖面无渗流情况。开挖面无渗流情况下地表最大沉降点位于开挖面前方0.5D左右，开挖面渗流情况下地表最大沉降点在开挖面前方0.5D～0.9D范围内。对于浅埋饱和粉土地层盾构隧道开挖，开挖面渗流情况的沉降槽宽度系数i的范围是3.03～3.93，平均值是3.41;土体损失率η的范围是0.21％～0.47％，平均值是0.33％。开挖面无渗流情况的沉降槽宽度系数i的范围是2.06～2.46，平均值是2.30;土体损失率的范围是0.08％～0.19％，平均值是0.12％。　　(6)在数值模拟研究成果基础上，通过分析数值模拟位移云图，借助Canny边缘检测方法，进一步拟合分析，得到开挖面无渗流情况失稳角和（楔形体斜面与水平面夹角即为失稳角β)，开挖面渗流情况失稳角。当内摩擦角φ=15°～30°时，开挖面无渗流情况下失稳角为47°～53°，开挖面渗流情况下失稳角为39°～42°显然，渗流情况下失稳角小于无渗流情况下，均小于前人研究中采用的60°，说明前人低估了失稳区范围。然后基于经典“楔形体—棱柱体”极限平衡模型，对盾构隧道开挖面失稳模式和极限支护压力计算公式进行修正，提出开挖面渗流条件下极限支护压力应为渗流状态下极限有效支护压力与渗透力之和，并推出极限有效支护压力显示解。对比分析前人结果及数值模拟结果，验证理论修正公式。
作者：	舒营
专业：	土木水利
导师：	张世民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	安徽理工大学
学位年度：	2022