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原文传递粘土地层盾构开挖面泥水劈裂伸展及喷发防控研究

论文题名：	粘土地层盾构开挖面泥水劈裂伸展及喷发防控研究
关键词：	盾构隧道;粘土地层;泥水劈裂;开挖面稳定;支护压力
摘要：	泥水盾构以其控制精度高、地层适用性广、抵抗水压能力强等诸多优势，常用于软土大直径、高水压隧道工程。随着我国长、大城市隧道和越江海水下隧道建设的快速发展，受地质条件、工程造价等因素限制，泥水盾构施工不可避免遭遇浅覆土、高水压等极易发生开挖面泥水劈裂被动失稳的复杂工程条件，给施工安全带来较大风险。开挖面泥水劈裂易发生于粘土地层泥水盾构施工，隐蔽性强、难以观测，使其发生、伸展机理不明，泥水劈裂喷发防控技术无据可依。本文通过大型泥水盾构模型试验，观测分析粘土地层中开挖面泥水劈裂伸展形态特征，建立盾构泥水劈裂伸展力学模型，结合三维数值模拟分析，研究泥水劈裂启裂与伸展机理，并面向实际工程，提出粘土地层盾构开挖面泥水劈裂喷发的分析方法与防控策略。论文的主要研究工作和成果如下：　　（1）为了观测隐蔽性极强的粘土地层盾构开挖面泥水劈裂现象，针对盾构模型试验粘土制备中糊堵泥土舱，致使开挖面试验边界条件难以与实际对应的问题，研制了具备泥土舱封舱板、精密泥水压力与流量传感器、泥土舱排气口的大比尺盾构模型试验机，与一同研制的粘土排水固结模型土箱、高精度控压泥水供应及排渣系统、电控及数据监测系统等组成了粘土地层盾构开挖面泥水劈裂模型试验平台。该试验平台能够在长时间试验粘土制备过程中封闭盾构泥土舱，开始试验前通过注入泥水排气、解除盾构泥土舱封闭，避免了试验土糊堵泥土舱致无法形成开挖面泥水支护压力环境、舱内空气杂质影响泥水劈裂试验等问题，能够形成与实际工程开挖面对应较好的试验边界条件，进而实现粘土地层中盾构掘进、排渣、高精度泥水压力控制及泥水压力和流量的准确监测等复杂试验条件，保障盾构泥水劈裂模型试验的顺利实施。　　（2）采用自研的大比尺多功能泥水盾构模型试验平台，进行了粘土地层盾构停机和掘进状态下的开挖面泥水劈裂模型试验，通过逐层开挖试验土测量、重绘的方法获得了泥水劈裂裂缝三维形态，发现了粘土地层中盾构开挖面泥水劈裂伸展具有似半椭圆板状几何特征。通过分析试验中实时监测的泥水压力与泥水流量数据，探明了开挖面泥水劈裂伸展下泥水压力与流量的响应规律，发现泥土舱内泥水压力波动变缓、压力值缓降、泥水流量突增等变化特征。通过模型试验现象观测到盾构泥水喷发后开挖面保压失效、排土困难、开挖面前上方土体坍塌、盾构被迫停机等不利情况。试验结果有助于建立盾构泥水劈裂伸展模型，及深入理解实际工程中泥水劈裂伸展行为特征和泥水喷发危害形成机制。　　（3）基于盾构开挖面泥水劈裂模型试验获得的劈裂伸展形态特征，考虑粘土体泥水劈裂拉伸-剪切组合破坏模式，建立了粘土地层盾构开挖面泥水劈裂伸展力学模型，并采用简化渐进算法实现了盾构开挖面泥水劈裂伸展过程的描述。结合扩展有限元及粘聚力单元数值模型分析，探明了泥水支护压力、泥水粘度、泥水重度、覆土厚度、隧道埋深、地层参数等因素对粘土地层中盾构泥水劈裂现象的影响规律，为泥水劈裂喷发防控提供了理论基础。　　（4）基于粘土地层盾构开挖面泥水劈裂伸展力学模型分析，结合模型试验与三维数值模拟手段，提出了盾构开挖面泥水劈裂喷发分析方法，建立了考虑盾构不同施工状态下防控泥水劈裂的施工参数调控机制。并对实际盾构工程的典型断面进行了应用与分析，探究了不同施工参数下泥水喷发风险及水下盾构泥水喷发现象特征。针对实际工程进一步提出了盾构泥水支护压力设定范围预设计、泥水喷发风险段盾构掘进参数调控机制及盾构泥水喷发防控辅助措施，形成了粘土地层盾构开挖面泥水劈裂喷发防控施工策略，为泥水盾构施工过程中开挖面泥水劈裂喷发被动失稳风险防控提供参考。
作者：	韩冰宇
专业：	土木工程
导师：	项彦勇;袁大军
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023