复杂地层条件下大型泥水盾构开挖面稳定机理及应用基础研究

大直径隧道已经成为目前及未来隧道发展趋势，而大直径与复杂地层条件几乎是密不可分的，这就给传统的主要适用于较均匀砂性土地层泥水盾构开挖面稳定性理论和分析方法带来了新的课题与挑战。本研究采用真三轴试验、微观分析、数值仿真及解析推导分析相承接、相结合的新的分析方法，探索泥水盾构施工过程中对周围土体力学特性及其外在表现－地层变位的影响（主要针对应力状态的改变及泥浆作用），通过建立颗粒流数值模拟计算模型形象描述不同地层条件下开挖面的失稳破坏模式及其相应的失稳破坏发生、发展整个过程，在上述研究基础上，拟对仅适用于砂性土地层失稳破坏模式的传统楔形体模型进行改进，建立适用于复杂地层条件的改进楔形体模型三维解析方法。本研究可合理地解释不同地层条件下大型泥水盾构开挖面失稳破坏机理，为控制大直径泥水盾构开挖面失稳以及评价盾构机推进过程中或停止时的稳定性提供理论依据。

对于大型泥水盾构隧道，随隧道直径的增大，开挖面的面积将成平方倍增大，因而盾构推进施工开挖面的土层条件及掘进环境等更为复杂多样，土体的自稳性也随之下降。因此，施工中地层土体的稳定性及隧道开挖面支护压力的有效控制是两大较为突出的难题（第1章）。.泥水盾构施工中，泥浆向开挖面前方的渗入使得原状土体的结构和强度发生改变，这些变化是不同工况下泥水支护压力、泥水质量等的综合反映，而土体强度和结构的变化又关系到开挖面的稳定和变形以及地表沉降。因此，本研究首先开展了真三轴－微观耦合实验（第2章），描述了泥浆对开挖面前方土体的渗入、土体空隙大小的变化以及有效支护压力的大小三者相互作用对土体整体强度的影响，同时提出了在渗透性极低、泥浆无法形成泥膜的地层条件下的开挖面稳定机理。本章定量刻画了泥浆土（概念见2.1节“概述”）的强度和结构变化，并以此为对象从微细观机理探讨了开挖面的稳定性，为进一步开展开挖面的整体稳定性研究打下基础。.报告的第3章首先介绍了离散单元法的基本思想及颗粒流方法，然后重点描述了本研究所采取的双轴数值试验方法和数值试验中试样制备的方法，为进一步研究盾构开挖面土体失稳破坏形式奠定坚实的理论基础。.在第3章基础上，第4章引入细观尺度的离散单元法，将宏观力学特性与微观结构特征相联系并定量化，通过建立颗粒流数值模拟计算模型，研究了在不同土质地层中大型泥水盾构开挖面的失稳破坏机理，描述其发生、发展的整个过程，包括对周围地层产生的影响，并通过对不同埋深情况下极限支护压力规律的研究，明确了不同地层条件下开挖面的失稳破坏模式：开挖面前方楔形体滑动区域以及其上部大变形区域，主要表现为从盾构拱顶部向地表逐渐发展，失稳影响区域是粘性土明显大于砂性土，且粘性土呈较宽广的凹槽盆状，砂性土表现为较狭窄的烟囱状。.在形象刻画不同地层条件（粘性土、砂性土）开挖面失稳机理及其破坏模式的基础上，第5章对仅适用于砂性土地层失稳破坏模式的传统楔形体模型进行了改进，建立了改进楔形体模型的三维解析方法。在该解析解中，克服了传统隧道上覆松动土压力计算理论中的滑动面假定与粘土地层条件不符的缺陷，并依据上覆土体实际位移区域，建立了改进的太沙基松动土压力计算模型，并推导了相应的计算公式。.报告最后基于所推导的改进楔形体模型解析解，对影响大型盾构隧道开挖面稳定的主要影响因素进行了参数敏感性分析（第5章）。