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大直径盾构正面稳定性研究

高立群  
【摘要】:进入二十一世纪,大直径隧道已经成为隧道发展的一个主要方向。其中尤以大直径泥水盾构的使用居多。直径增大对于盾构施工会产生怎样的影响也成为很多人关注的问题。 本文研究了泥水盾构隧道开挖面的平衡和稳定性这一问题,从理论和数值计算两方面对不同直径的泥水盾构隧道进行了研究。论文首先介绍了常规盾构开挖面的稳定性情况和极限失稳问题,针对大直径盾构的正面稳定性的特殊性,从穿越地层的复杂性、开挖面上的土压力变化和正面变形等方面进行了理论分析,并结合具体算例比较了不同直径的盾构开挖面稳定性情况。为了突出大直径的影响,文中选择了直径为6m、10m和15m三种不同盾构进行了比较研究,然后提出了用于控制开挖面上压力的两种平衡模式,即中心点平衡模式和合力作用点平衡模式。另外,结合算例对以上三种直径的盾构穿越单一地层和复杂地层时的压力进行了计算分析。文中采用Mindlin方法对均一地层中不同直径的泥水盾构隧道的开挖面稳定性进行了对比研究,并提出了地层损失的开挖面稳定判断方法。在数值分析方面,利用有限元ANSYS软件,建立三维分析数值模型,研究了不同直径的泥水盾构开挖面前方和地表沉降的规律。 通过本文的研究,可以看出盾构开挖时,随着直径增大,盾构穿越地层趋于复杂、盾构对土体的扰动增大,表现在地面沉降值迅速增大;提出了根据地面沉降值从理论上判断开挖面稳定性的方法。在设定泥水压力方面,实例计算说明单一地层中采用中心点平衡模式控制压力要优于采用合力作用点平衡模式;但考虑到实际施工条件中大直径盾构多穿越复杂地层,因此建议采用合力作用点平衡模式,表现在作用在盾构上的压力差值波动小。在有限元模型分析中得到,随着盾构直径D增大,施工对土体的扰动迅速增大,表现在结果中为盾构中心前方、两侧和地面的沉降都迅速增大。


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