上软下硬复合地层盾构开挖面支护压力及地表位移研究

作     者：李康 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘叔灼

授予年度：2017年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：上软下硬复合地层 LS-M模型 极限支护压力 地表沉降 地层复合角 

摘      要：针对上软下硬复合地层条件下盾构隧道开挖面支护压力和盾构引起地表沉降问题,目前的研究仅局限于某一特定复合地层或软硬占比均半的情形,对于软硬占比持续变化的上软下硬复合地层中盾构施工开挖面支护压力与地表沉降问题则相对滞后。鉴于此,本文开展了如下两个方面的工作:关于上软下硬复合地层盾构开挖面的支护压力研究,引入了地层复合角ω的概念,提出一个随盾构开挖面软硬比例变化而变化的三维螺旋滑裂体模型(三维LS-M模型),推导了可以计算不同复合地层条件下的盾构开挖面极限支护压力公式,将该公式表达为分别考虑土体粘聚力、土体重度和地表超载三项影响系数Nc,Nγ,Ns的累加形式,并对其进行了详细的理论对比及有限元验证分析。研究得出:三维LS-M模型在形态上更接近开挖面实际失稳破坏时的形状,能较好地反映上软下硬复合地层软硬占比持续变化条件下的盾构开挖面支护压力变化。在特定地层复合角条件下,极限最小支护压力随土体内摩擦角增大而呈双曲线型减小、随土体粘聚力的增大而呈线性减小的趋势。同时也明确了地层复合角及土体强度参数和隧道埋深对极限值压力和相应的影响系数Nc、Nγ、Ns的影响规律,通过和前人理论成果的对比,体现了较好的一致性。关于上软下硬复合地层盾构施工所引起的地表沉降问题,本文从地层损失的角度出发,推导了预测不同软硬占比条件下考虑注浆效果、盾构偏心、盾构物理间隙等因素的上软下硬复合地层的地表沉降公式。并以珠-机城际地铁盾构隧道为工程背景,对该公式进行了详细的量化分析,研究得到了这种特殊地层条件下,地表沉降受注浆效果、盾构偏心、盾构间隙等盾构施工工艺参数的影响规律。在其他条件不变情况下,随着地层复合角的增大,由地层损失所引起的地表沉降也将逐渐增大,地表横向沉降曲线的形态将从平缓状向明显的盆状演变,沉降槽的宽度也将呈双曲线形式减小。数值模拟分析也表明随着地层复合角的增大,盾构开挖面的支护压力对地表位移的影响也就越敏感。