砂—粘复合地层土压平衡盾构隧道开挖面稳定性研究
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摘要
近年来，随着城市建设的快速发展，土压平衡盾构在城市地铁隧道建设中的应用范围越来越广。而且随着施工范围扩大，所遇到地层的复杂程度不断增加，特别是在砂-粘复合地层中，开挖面稳定性的预测与控制都非常困难，因此复杂地层土中压平衡盾构开挖面稳定性问题得到了广泛的关注，成为盾构隧道施工掘进的核心问题之一。
首先，通过大型三轴试验（第二章），开展了砂‐粘复合地层的基本力学特性研究，弄清了不同应力水平下、不同砂‐粘组构和成分等条件下的基本力学特性，并以此为基础进行了砂‐粘土体相似性配比的试验，探究砂‐粘土体地层的结构特征，以供大型相似模型试验研究参考。
其次，通过土压平衡盾构室内大型相似模型试验（第三章），探究了盾构开挖面失稳过程中开挖面支护压力变化规律和破坏模式。主要研究了砂‐粘复合地层中不同埋深和直径比（C/D=0.5、1、2）下，盾构开挖面的稳定性问题，分析了不同埋深和直径比对开挖面极限支护压力、地表沉降、开挖面土体变形规律的影响。并通过监测开挖面前方土体压力变化，探究了砂‐粘复合地层成拱与隧道埋深的关系，明确了开挖面破坏局部失稳与整体失稳的机理。
此外，基于极限分析上限法（第四章），构建了旋转破坏模型，拟合了开挖面破坏区域。利用临界破坏时外力所做功的功率与土体内部耗散功相等的原理，推导了开挖面支护压力计算公式，并将计算结果与Leca&Dormieux等提出的经典破坏模型得出的结果作了比较，得出在不同土体中极限支护力均有提高，但在软粘土和硬粘土中得到的极限支护力提高幅度较大。
最后，通过采用能够考虑大变形、渐进破坏的FLAC3D程序对土压平衡盾构施工力学过程进行了三维数值模拟，探究了不同的隧道埋深、土层材料性质、土层空间分布等因素对开挖面失稳破坏形式、开挖面变形、极限支护力以及地表变形的影响规律。
Earth pressure balanced (EPB) shield machines are widely used in theconstruction of urban subway in recent years with the repaid development of urbanexpansion. Particular attention is paid to the face stability of EPB shield machine inthe sandy-clay mixed ground and it has become one of the key challenges in shieldtunneling.This thesis proposes to deal with this problem using three types ofapproaches, especially with the back ground of Beijing subway. Firstly, experimentsusing large-scale triaxial test to study the mechanical properties of mixed stratumunder varied stress level, petrofabric and composition of mixed grounds areperformed and the results are regarded as the strong basis for indoor model test andground conditioning. Secondly, an indoor model test with different cover depths(C/D=0.5,1,2) to simulate the construction of EPB driven-tunnel is applied to findout the law of support pressure on tunnel face, soil deformation and failuremechanism. In addition, the evolution of arching during face failure is investigated.The boundaries of the arch zones are also proposed. Then upper-bound approach inlimit analysis with rotating failure model is presented and the limit face supportingpressure is improved compared with the classical model of Mollon, Leca&Dormieux.Finally, a three-dimensional fast lagrangian finite difference program (FLAC3D),which can simulate large-strain deformation and progressive failure, is adopted tostudy the soil deformation and failure mechanism in EPB shield tunnelling on variousgrounds. Both of the local failure and global failure in collapse are studied whentaking into account the cover depth, soil character, ground spatial distribution and thecharacteristics of EPB shield tunnels in mixed ground.
首先，通过大型三轴试验（第二章），开展了砂‐粘复合地层的基本力学特性研究，弄清了不同应力水平下、不同砂‐粘组构和成分等条件下的基本力学特性，并以此为基础进行了砂‐粘土体相似性配比的试验，探究砂‐粘土体地层的结构特征，以供大型相似模型试验研究参考。
其次，通过土压平衡盾构室内大型相似模型试验（第三章），探究了盾构开挖面失稳过程中开挖面支护压力变化规律和破坏模式。主要研究了砂‐粘复合地层中不同埋深和直径比（C/D=0.5、1、2）下，盾构开挖面的稳定性问题，分析了不同埋深和直径比对开挖面极限支护压力、地表沉降、开挖面土体变形规律的影响。并通过监测开挖面前方土体压力变化，探究了砂‐粘复合地层成拱与隧道埋深的关系，明确了开挖面破坏局部失稳与整体失稳的机理。
此外，基于极限分析上限法（第四章），构建了旋转破坏模型，拟合了开挖面破坏区域。利用临界破坏时外力所做功的功率与土体内部耗散功相等的原理，推导了开挖面支护压力计算公式，并将计算结果与Leca&Dormieux等提出的经典破坏模型得出的结果作了比较，得出在不同土体中极限支护力均有提高，但在软粘土和硬粘土中得到的极限支护力提高幅度较大。
最后，通过采用能够考虑大变形、渐进破坏的FLAC3D程序对土压平衡盾构施工力学过程进行了三维数值模拟，探究了不同的隧道埋深、土层材料性质、土层空间分布等因素对开挖面失稳破坏形式、开挖面变形、极限支护力以及地表变形的影响规律。
Earth pressure balanced (EPB) shield machines are widely used in theconstruction of urban subway in recent years with the repaid development of urbanexpansion. Particular attention is paid to the face stability of EPB shield machine inthe sandy-clay mixed ground and it has become one of the key challenges in shieldtunneling.This thesis proposes to deal with this problem using three types ofapproaches, especially with the back ground of Beijing subway. Firstly, experimentsusing large-scale triaxial test to study the mechanical properties of mixed stratumunder varied stress level, petrofabric and composition of mixed grounds areperformed and the results are regarded as the strong basis for indoor model test andground conditioning. Secondly, an indoor model test with different cover depths(C/D=0.5,1,2) to simulate the construction of EPB driven-tunnel is applied to findout the law of support pressure on tunnel face, soil deformation and failuremechanism. In addition, the evolution of arching during face failure is investigated.The boundaries of the arch zones are also proposed. Then upper-bound approach inlimit analysis with rotating failure model is presented and the limit face supportingpressure is improved compared with the classical model of Mollon, Leca&Dormieux.Finally, a three-dimensional fast lagrangian finite difference program (FLAC3D),which can simulate large-strain deformation and progressive failure, is adopted tostudy the soil deformation and failure mechanism in EPB shield tunnelling on variousgrounds. Both of the local failure and global failure in collapse are studied whentaking into account the cover depth, soil character, ground spatial distribution and thecharacteristics of EPB shield tunnels in mixed ground.
引文
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