盾構隧道施工與富水砂卵石地層的相互作用機制

《盾構隧道施工與富水砂卵石地層的相互作用機制》是依託西南交通大學，由方勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：盾構隧道施工與富水砂卵石地層的相互作用機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：方勇
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

在富水砂卵石地層中，由於卵石含量高、單軸抗壓強度大，盾構施工將面臨刀具磨耗大、掘進效率低下等問題。為了提高掘進效率，盾構掘進通常採用以排為主、欠壓掘進的處理模式。但該模式對施工管理要求較高，在掘削麵容易引起地層超挖，導致嚴重的工後沉降及地層坍塌。而砂卵石地層由於顆粒個體特徵突出，地層移動多體現為非連續性的塌落，基於連續變形的數值方法和試驗手段難以準確的揭示這種現象。本項申請首先從細觀層面入手，研究以排為主、欠壓掘進模式下掘削麵地層空洞的形成機制；其次基於室內模型試驗方法，獲得富水砂卵石地層空洞在隧道橫、縱斷面上的發展延伸規律，探明地下水滲流、地表荷載作用等對地層空洞發展的促進機制，同時獲得管片襯砌受荷特徵及內力分布規律；最後進行盾構掘進的室內模型試驗，研究地表沉降與掘進參數的相關關係。本項申請的研究成果可以幫助建設者更深刻地認識富水砂卵石地層下盾構掘進與周圍環境的相互作用。

結題摘要

在富水砂卵石地層中進行盾構掘進，由於地層本身卵漂石含量高、地下水位高、卵石單軸抗壓強度大，盾構施工將面臨刀具磨耗大、出渣困難、掘進效率低下等問題。為了提高掘進效率，盾構掘進通常採用以排為主、欠壓掘進的處理模式。但該模式對施工管理要求高，在掘削麵極易引起地層超挖，導致嚴重的工後沉降及地層坍塌。而砂卵石地層屬於典型的粗粒土地層，地層顆粒個體特徵突出，掘進過程中地層移動多體現為非連續性的塌落，基於連續變形的數值方法和試驗手段難以準確的揭示這種現象。本項申請首先從細觀層面入手，採用顆粒流程式PFC建立二維模型對盾構掘進對砂卵石地層擾動機理進行研究。分析了盾構掘進對砂卵石地層的擾動機理，影響範圍，以及滯後沉降形成的原因。在此基礎上，通過建立三維模型，進一步研究以排為主、欠壓掘進模式下掘削麵地層損失的形成機制，探明了出土率，刀盤轉速，頂推速度等因素對盾構掘進效率的影響；為驗證數值計算的正確性，開展了盾構掘進室內模型試驗和地層損失引起的滯後沉降在隧道橫縱斷面擴展機制的室內模型試驗，分析了直接掘進，渣土改良和地層加固情況下盾構掘進對地層位移的影響以及各掘進參數對盾構施工的影響，驗證了數值計算結果的正確性，同時獲得了富水砂卵石地層損失在隧道橫、縱斷面上的形成，發展延伸規律，探明了地下水滲流、地表車輛振動等荷載作用等對地層空洞發展的促進機制；最後進行了管片受力室內模型試驗和盾構掘進對環境影響的現場測試研究，獲得了不同土壓和水壓作用下，管片襯砌受荷特徵及內力分布規律，探明了地表沉降與掘削麵支護壓力的關係。本課題的研究成果可以幫助建設者更深刻地認識富水砂卵石地層下盾構掘進與周圍環境的相互作用，對於指導盾構在富水砂卵石地層中施工及實現安全快速掘進具有重要的現時意義。