土压平衡式盾构掘削面土体移动的细观机理研究

土压平衡式盾构施工过程中，掘削面土体移动对地表及周围环境具有重要影响。在软粘性土地层中，地层变形是连续的，采用基于连续介质模型的数值方法即可获得与工程实际吻合较好的结果。而在砂、砂卵石等颗粒个体特征突出的地层中，掘削面土体移动多体现为塌落，其变形是非连续的。本项申请拟从细观层面入手，对砂、砂卵石等地层条件下的土压平衡式盾构掘削面土体移动机理开展研究。首先基于颗粒流方法研究掘削面土体移动的细观行为特征、掘削面塌落空洞发展及延伸的基本规律，确定地层细观参数对掘削面土体移动形态及塌落空洞的影响，获得盾构掘削参数对掘削面土体移动的影响规律；其次采用室内模型试验研究掘削面土体移动与盾构掘削参数的关系；最后综合颗粒流模拟、室内模型试验及现场观测数据，探明松散的干砂地层、砂卵石地层中掘削面土体移动与盾构掘削参数、地表沉降之间的相关关系，为土压平衡式盾构机在该类地层条件下的掘进控制及地表沉降监控提供指导。

土压平衡式盾构施工过程中，掘削面土体移动对地表及周围环境具有重要影响。在软粘性土地层中，地层变形是连续的，采用基于连续介质模型的数值方法即可获得与工程实际吻合较好的结果。而在砂、砂卵石等颗粒个体特征突出的地层中，掘削面土体移动多体现为塌落，其变形是非连续的。本课题从细观层面上对土压平衡式盾构掘进引起地层移动的机理开展研究，首先基于Φ52cm模型盾构机试验平台，以相似原理为基础开展砂性地层条件下盾构掘进全过程的室内模型试验，通过试验获得砂性地层条件下盾构掘进引起地层移动的一般规律；其次采用PFC数值模拟的方法研究盾构掘进引起地层移动的细观行为特征，包括到盘与掘削面地层相互作用的数值分析、单洞及双洞隧道掘进引起的地层移动细观行为特征、临近桩基础及扩大基础施工时盾构掘进引起的地层移动细观行为特征等；最后，以成都地铁穿越砂卵石地层为依托工程，对盾构掘进引起的地表沉降等进行现场监测，分析得到盾构推力、扭矩、推进速度、转速等掘进参数之间的相关关系及其对地表沉降的影响。课题研究获得了砂性地层条件下盾构掘进过程中周围土体移动的细观行为特征、土体移动发展及延伸的基本规律、盾构掘削参数的相关关系及其对地层移动的影响规律。课题研究为土压平衡式盾构机在该类地层条件下的掘进控制及地表沉降监控提供了指导。