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《北京交通大学》 2011年
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盾构隧道进出洞土体颗粒渐进破坏模式分析及加固精细化设计研究

孙谋  
【摘要】:针对盾构隧道进出洞端头土体稳定性及加固尺寸精细化设计等工程实际难题,本论文结合南京地铁TA15标盾构隧道始发及到达进出洞端头的加固工程实例,基于从建立微观模型到宏观对比、并通过工程实例再验证的思路,建立南京地铁沿线低山丘陵及淤积平原区典型粉细砂层颗粒流细观模型及加固模型、并基于微观颗粒流——宏细观剪切带——宏观工程失稳——工程加固精细化设计实例的研究思路,对盾构隧道进出洞端头土体的破坏模式、稳定性计算方法及进出洞端头土体加固尺寸的确定做进一步的参数校核、比较分析和现场验证,取得的相关研究成果如下: (1)基于南京地铁沿线低山丘陵及淤积平原区的特殊地貌及穿越地质条件,建立了南京盾构隧道进出洞穿越端头土体颗粒流细观模型,对伴随盾构穿越土层扰动破坏过程进出洞端头土体的特殊渐进性破坏特征及破坏模式进行了分析,初步确定该地区盾构掘进过程中细观参数的影响范围及其对土性特性的影响规律。南京地区原状土体受盾构刀盘切削、抓刨、振动、冲击、压实、挤密、剥离等动静荷载作用,伴随孔隙水压力的消散和局部激增过程,内摩擦角随颗粒摩擦系数的增大呈现类线性增加趋势;粘聚力也随颗粒间粘结强度的增大表现为线性增大关系。 (2)给出盾构进出洞端头土体的稳定系数、进出洞端头土体的理论加固系数及范围。通过从微观到宏观,由浅入深的分析比较方法,对南京地铁盾构进出洞端头土体稳定性及参数敏感性做进一步分析认为:设计能否增加盾构隧道埋深取决于是否能有效控制或提高进出洞端头土体的稳定性,隧道埋深越浅,进出洞端头土体的稳定性相对越差,风险越大,越需提高掘进土体的内摩擦角和粘聚力指标。内摩擦角和粘聚力变化对进出洞端头土体的稳定性影响最显著,而泊松比变化对进出洞端头土体稳定性的影响相对并不明显。 (3)通过分析南京地铁盾构进出洞穿越土体位移场的发展变化规律可知,该地区盾构进出洞穿越时端头土体呈现较明显的颗粒定向性运动趋势,刀盘推进中土体颗粒流的运动变化规律从无明显定向到呈现明显颗粒位移定向等特征,土体被挤密、重构、剥离等的过程中快速形成明显的剪切滑移带并发展贯通成滑裂(动)面,最终形成进出洞端头土体滑动面较集中在两部分挤压区域出现:洞门上边缘以上位置,滑动面基本呈斜直线分布,洞门上边缘以下位置的滑动面基本呈对数螺旋线或近似圆形的分布规律。实测土体损失体积与现场地表动态沉降槽体积基本吻合,为此规律提供了一例理论佐证。 (4)建立盾构进出洞端头土体弹性薄板的修正极限平衡分析模型,计算了进出洞端头土体的加固厚度,通过与实例进行对比,对建议理论进行了条件修正。 分析可知:在取相同计算参数和安全系数的条件下,经典极限平衡模型的计算加固厚度为4.68m,修正弹性薄板模型计算的加固厚度为5.15m,传统弹性薄板模型计算的加固厚度为7.54m,实际南京地铁工程中选取加固厚度6.0m、并实现成功进出洞。 通过与实际工程的应用对比可看出,经典极限平衡模型和修正弹性薄板模型的计算结果略小并接近南京地铁实际工程取值,而传统弹性薄板模型的计算结果明显偏于安全。 (5)基于塑性松动圈理论计算横断面加固厚度并拓展其到工程应用范畴。基于轴对称/非轴对称塑性边界方程求取进出洞端头土体横断面加固厚度理论值。 安全系数等取相同计算参数条件下,在λ=1.0、λ=0.33及λ=0.25时的横断面加固计算厚度分别为2.21m、2.26m及3.17m,南京地铁TA15标盾构隧道进出洞进出洞端头加固实际工程的横断面加固宽度最终选取3.0m,并实现安全成功穿越,取得与建立计算模型吻合较好的实际验证。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U455.43

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