109809字博士毕业论文透水砂层泥水平衡盾构掘进面破坏机理研究
论文类型：博士毕业论文
论文字数：109809字
论点：开挖,盾构,支护
论文概述：
本文是优秀博士论文，在模型试验中，模拟了不同泥装配比、覆土厚度、水头高度和土体性质等工况下开挖面主动破坏的情况。
论文正文：
1简介
与盾构隧道设计和施工技术的不断发展相比，土应力释放引起的开挖面失稳仍然是难题之一。如何减少施工过程对周围环境的影响，准确判断盾构开挖面的稳定性，有效合理地选择支护力，成为目前盾构施工中亟待解决的关键问题。盾构掘进过程中会发生地层变形和位移，影响因素很多，其中盾构掘进引起的应力损失和盾构推进时拔出管片留在盾构尾部的间隙是主要影响因素。对于大型泥水平衡盾构隧道，合理设置盾构隧道开挖面支护压力是保证隧道施工质量的重要环节，但如何合理选择开挖面支护压力也是隧道工程应用中的难题。如果支护压力太小，开挖前的土体将失去稳定性，大量进入泥浆池，造成地层损失，甚至转移到地表，形成四个塌陷坑。但是，如果支护压力过高，很容易对开挖前的土体造成被动破坏，导致地表隆起。如果危险道路位于河底，支护力过大，甚至可能在隧道与上水源之间形成水力通道，造成河道回灌和隧道洪水事故。盾构隧道施工过程中，地层的不均匀性将直接影响泥水特性，导致支护压力的不断波动和变化，不利于隧道的安全施工控制。广州地铁、上海地铁、深圳地铁和南京地铁在施工过程中，开挖面一直不稳定，造成地面严重坍塌，影响工期，造成严重经济损失。因此，开展大直径泥水盾构施工中准确判断开挖面稳定性和合理选择支护力的相关研究，对实际工程应用具有一定的学术价值和指导意义。
……
2开挖面失稳破坏特征大型模型试验研究
2.1
以南京长江隧道工程为背景，对高渗透砂质大直径泥水平衡盾构开挖面失稳过程中的地表隆起、土体强度、开挖面土压力和土体水压力的分布特征以及泥室压力进行了模型试验研究。通过在泥船内和开挖面上埋设水和土压力传感器，观察了开挖面失稳时开挖面前方泥罐压力和水和土压力的分布和发展。研究了观测结果和盾构掘进参数，以及泥浆池压力、开挖地表水、土压力与不同影响因素(覆土厚度、水头高度、泥浆比重和土体性质等)之间的关系。)进行了讨论。
2.2试验对象及目的
以南京长江危险道路浅覆土段粉砂层为背景，研究了浅覆土中泥水平衡盾构开挖面的不稳定性。开挖面失稳主要包括主动破坏和被动破坏。采用大直径物理模型试验模拟开挖面失稳过程中的应力分布和变形，为判断开挖面失稳和计算支护力提供可靠依据。在土盾系统的基础试验研究中，不可能对所有参数方案进行原型化。因此，有必要在模型试验条件和预测目标条件之间建立一定的关系，相似理论起到桥梁的作用。根据相似理论模型试验，首先要解决的是如何设计模型，如何将模型试验的结果扩展到原型实体，并严格按照长江南京上游航道实际盾构过程的相似理论，验证模型试验结果是否与实际工况结果一致。
3泥浆比对开挖面土体强度的影响室内三轴试验研究……55
3.1导言........55
3.2测试目标和目的.........55
3.3测试内容……55
4开挖面稳定性影响因素的数值模拟研究........63
4.1导言...................63
4.2开挖面稳定性影响因素分析............................63
5.........83
5.1导言............................83
5.2开挖面稳定性计算现有理论对比分析…… 83
6开挖面极限承载力计算方法研究
6.1简介
浅透水砂层盾构掘进时，开挖面支护力不足容易导致开挖面失稳。同时，在覆盖层厚度小、水压大的情况下，由于压力过大，可能会发生泥水开裂，造成重大事故。泥水盾构支护压力的上限解和下限解是支护力的重要研究内容。国内外学者提出了许多经验公式和计算模型。常用的切割水压公式基于朗肯土压力和浮动力设置。泥浆护壁的浮动力通过考虑施工期间泥浆加载压力的脉动状态而设定为给定的安全裕度。然而，由于泥水盾构开挖面的支撑力由泥拱提供，盾构掘进是一个三维动态推进过程。泥水在压力作用下，通过开挖面上的土隙流入地层。开挖面的支护压力决定了盾构施工对周围土壤的影响程度。泥浆拱压力会导致地层中孔隙水压力过大。超孔隙水压力增加到一定值后开始消散，并随着施工进度不断变化。
6.2经典计算理论和方法简介
极限承载力的计算不能简单地将侧向土压力简化为作用在整个开挖面上的静土压力。由于开挖前土体松动，存在临界破坏状态。在试验中不难看出，当主动破坏形成时，隧道上方的土体形态符合筒仓理论，破坏形态的大小与砂的性质和水头高度有关。此外，根据孔隙水压力试验，超孔隙水压力的出现会影响土的强度，因此极限承载力的计算必须考虑泥浆体压力引起的超孔隙水压力。目前，常用的理论计算模型是楔形体理论模型。假设开挖面前方的滑动区域为楔形体(开挖面附近为正方形)和棱柱体，通过力平衡求解理论最小支撑压力。模型分别为二维对数螺旋滑动面计算方法、二维线性滑动面计算方法和三角形模型体模型。
……
7结论和前景
本文以模型试验、三轴试验和数值模拟为手段，研究了高渗透砂层泥水平衡盾构施工开挖面主动和被动破坏机理，并对影响开挖面稳定性的主要因素进行了分析和探讨。在此基础上，提出了判断砂层开挖面失稳的准则，并给出了支护力的计算公式。本文的主要结论如下:
(1)泥浆奖对泥水平衡盾构施工至关重要。开挖面上由泥类蔬菜形成的泥膜直接作用在开挖面的土体上，作为支撑力传递介质，保持开挖面的稳定性。然而，泥菜对开挖面土体性质和强度影响的研究仍处于探索阶段。通过静三轴试验发现，在泥膜形成过程中，泥菜首先会改变土壤的性质，表明砂土的内聚力增加，内摩擦角减小。其次，随着围压的增加，拱后土的强度增加。
(2)在模型试验中，模拟了泥浆比重、土层厚度、水头高度和土壤性质等不同条件下开挖面的主动破坏。结果表明，土层厚度和水头高度对开挖面稳定性影响很大。随着土层厚度的增加，开挖面所需的支撑力也随之增加。由于水的存在，隧道施工时地层中会形成渗流和超孔隙水压力，降低开挖面的稳定性。试验证明，开挖面失稳过程中确实存在土拱效应，特别是在干砂层中。然而，土拱效应不应作为减小开挖面支护力的计算依据。数值模拟结果还表明，开挖面位移变形最大时，内摩擦角、土层厚度和水头高度有明显的响应。
……
参考文献(省略)