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盾构隧道开挖面稳定性的数值模拟研究

许春彦  
【摘要】: 盾构法凭其自身的优势,成为目前最主要的隧道施工方法,其中土压平衡式盾构的使用较为广泛。盾构施工中,由于土层条件和掘进参数的复杂多变,使得实际施工中开挖面支护力的波动较大,所以研究开挖面支护应力变化引起的土体变形规律和开挖面失稳破坏状态进而确定保持开挖面稳定的极限支护应力有重要的实际工程意义。 本文针对如上所述,主要进行了以下研究工作: 1.阐述盾构法施工原理,并介绍开挖对周围土体的扰动机理,揭示了确定开挖面极限支护力、保持开挖面稳定的重要意义。 2.针对研究问题的特点和要求确定计算程序,选择合适的土体本构模型,设计研究开挖面稳定性的数值模拟方案。 3.分别建立砂土、粘土地层的数值计算模型,分析开挖面支护力大小对土体变形的影响规律,并结合稳定理论确定开挖面极限最小支护力。另外,着重分析开挖面支护力不足引起的地表沉降规律,并描述了开挖面失稳破坏后土体变形及塑性区发展情况。 4.对隧道埋深、直径及土层材料对开挖面极限支护力、地表沉降规律、开挖面失稳后隧道地层变形状态进行敏感性分析,得出一些定性的结论。结果表明:随着隧道埋深或直径的增大,开挖面极限支护力不断增大;对于浅埋隧道,开挖面支护力不足引起的地表最大沉降点约在开挖面前方半个直径的距离处;内摩擦角是对极限支护力及开挖面失稳破坏状态影响较为显著的土层材料参数。各参数对极限支护力、地表沉降规律及开挖面失稳破坏状态有不同的影响,在隧道施工中要充分考虑到这一点。


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