富水砂卵石地層盾構(gòu)施工誘發(fā)地層塌陷機(jī)理及對(duì)策研究.pdf

1、近年來，為了緩解交通擁擠問題，許多大城市開始籌劃和修建地鐵工程。在此期間，盾構(gòu)施工誘發(fā)很多地面塌陷事故。地鐵線路多位于城市道路和居民區(qū)地下，因此地面塌陷事故危害性大，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。
　　修建成都地鐵1、2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間時(shí)，在砂卵石地層中曾引發(fā)多次地面塌陷。目前，對(duì)巖溶塌陷和采礦引發(fā)塌陷的研究文獻(xiàn)較多，研究內(nèi)容也比較深入;而針對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)塌陷機(jī)理研究較少，對(duì)地層塌陷機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究尚屬起步階段，研究深度仍停留在語言表述和簡圖示

2、意水平。本文以成都地鐵1、2號(hào)線為背景，針對(duì)砂卵石地層特性，對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層塌陷演變機(jī)理進(jìn)行研究，并尋找能夠解決地層塌陷的對(duì)策，論文主要完成了以下幾方面的工作:
　　1.通過研究成都地鐵1、2號(hào)線盾構(gòu)施工誘發(fā)的多起滯后地面塌陷實(shí)例，總結(jié)了砂卵石地層盾構(gòu)施工誘發(fā)滯后地層塌陷機(jī)理，該機(jī)理主要包括盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、開挖面失穩(wěn)引起超出土從而形成空洞、空洞向地表移動(dòng)三個(gè)方面。
　　2.為更好掌握砂卵石層力學(xué)特性，利用大型三軸剪切試驗(yàn)

3、獲得砂卵石層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。針對(duì)砂卵石層粘聚力低、離散性強(qiáng)的特點(diǎn)，選用顆粒離散元法作為數(shù)值計(jì)算工具，通過對(duì)大型三軸試驗(yàn)的數(shù)值模擬，對(duì)砂卵石層的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，通過顆粒離散元法對(duì)滯后地層塌陷機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析。
　　3.地層塌陷根本原因是開挖面失穩(wěn)造成超出土而引起的，因此本文重點(diǎn)對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。總結(jié)影響盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性的主要因素，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析內(nèi)摩擦角、側(cè)壓力系數(shù)、盾構(gòu)直徑、盾構(gòu)埋深和地

4、下水位對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響;研究支護(hù)壓力對(duì)開挖面變形、地表沉降、開挖面的最大位移和土層應(yīng)力的影響;編制位移顯示程序，研究隨著支護(hù)壓力減小盾構(gòu)開挖面變形和破壞形狀的規(guī)律，提出開挖面失穩(wěn)由局部破壞向整體破壞轉(zhuǎn)變的模式。結(jié)合成都地鐵2號(hào)線砂卵石地層盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)實(shí)例，分析開挖面失穩(wěn)主要原因，并提出避免砂卵石地層開挖面失穩(wěn)措施。
　　4.以梯形楔形體模型為基礎(chǔ)，對(duì)開挖面極限支護(hù)壓力公式進(jìn)行重新推導(dǎo)，在推導(dǎo)過程中考慮了滑動(dòng)塊側(cè)面三角形和其頂

5、部與滑動(dòng)塊外部土體的相互作用力。通過數(shù)值計(jì)算分析了盾構(gòu)開挖面以上破壞棱柱體的形狀接近于圓形，采用直徑為6m的圓形擋板模擬擋板下落實(shí)驗(yàn)，在三維空間修正太沙基松動(dòng)土壓力計(jì)算公式。文中探討了修正梯形楔形體計(jì)算模型參數(shù)選取，并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析。
　　5.砂卵石地層離散性很強(qiáng)，盾構(gòu)施工引起地層塌陷過程屬于非連續(xù)介質(zhì)問題，地層坍塌變形曲線存在明顯的不連續(xù)特性，因此本文選用顆粒離散單元法對(duì)地層塌陷變形進(jìn)行預(yù)測。提出以現(xiàn)場實(shí)測法確定地層損

6、失的計(jì)算方法，探討了土層內(nèi)部空洞分布形態(tài)，研究了砂卵石地層隧道平面斷面收斂模式，分析了盾構(gòu)埋深、地層損失數(shù)量和地層特性等因素對(duì)地層坍塌變形的影響，并提出基于地表沉降值影響的基礎(chǔ)上對(duì)地層損失進(jìn)行分類。多因素影響下的地層坍塌變形很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行求解，本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)對(duì)地面坍塌變形進(jìn)行預(yù)測分析。
　　6.針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)施工特點(diǎn)，提出預(yù)防盾構(gòu)施工誘發(fā)滯后地層塌陷的施工對(duì)策，論述了盾構(gòu)刀盤開口率