砂土層與巖溶交界面盾構(gòu)安全施工機理與控制技術研究.pdf

1、本研究針對砂土覆蓋型巖溶復合地層中盾構(gòu)隧道施工引起的安全控制問題，應用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，深入探討了盾構(gòu)在巖溶與砂土界面附近施工引起溶洞失穩(wěn)的機理與影響因素，提出了安全施工的控制方法?；诜中卫碚?、現(xiàn)場鉆探與溶洞注漿數(shù)據(jù)，提出了隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的預估方法?；跇O限平衡理論，導出了盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開破壞的理論模型，并給出了臨界盾尾注漿壓力的計算公式。應用數(shù)值方法分析了盾尾體積損失致溶洞過大變形的安全距離。

2、基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，深入探討了巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工保證溶洞安全的控制參數(shù)及其對地表沉降的影響。本研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：
　　1)隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的預估計算方法：
　　針對溶洞因分布分散、形狀各異而在實踐中難以確定體積的問題，利用分形理論找到隧道沿線區(qū)域溶洞發(fā)育的分形規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)勘察報告數(shù)據(jù)求得溶洞分布的分形維數(shù)，利用分形參數(shù)計算溶洞體積；再根據(jù)現(xiàn)場溶洞注漿量得到溶洞注漿量和溶洞體積的比例系數(shù)，即溶洞注漿量系數(shù)；進而

3、根據(jù)溶洞體積和溶洞注漿量系數(shù)計算整個隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量?；谏鲜鲅芯刻岢隽瞬捎玫刭|(zhì)勘察報告數(shù)據(jù)估算隧道沿線區(qū)域溶洞注漿量的理論方法與修正系數(shù)。
　　2)盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開破壞的理論模型與盾構(gòu)安全施工臨界盾尾注漿壓力：
　　在上覆砂土巖溶地層界面附近進行盾構(gòu)隧道施工的過程中，當盾尾注漿壓力達到一定值，應力傳遞至洞口會誘發(fā)灰?guī)r中溶洞的洞口張開，砂土隨著漿液流入溶洞內(nèi)，致使溶洞變形甚至破壞。針對這一問題，基于極限平衡理論

4、，推導了盾尾注漿誘發(fā)溶洞洞口張開破壞的理論模型；將盾尾注漿壓力簡化為環(huán)向均布力，基于半無限彈性平面內(nèi)圓孔受均布力的Verruijt復變函數(shù)解答，推導出溶洞洞口張開量的計算公式，并基于該公式得到臨界盾尾注漿壓力。臨界盾尾注漿壓力隨溶洞與隧道垂直距離的增大而減小，隨著隧道直徑的增大而增大，隨著隧道埋深的增大而減小。利用上述導出的公式分析確定了廣州地鐵9號線區(qū)間隧道施工的臨界盾尾注漿壓力。
　　3)盾尾體積損失致溶洞過大變形的安全距離：

5、
　　針對盾尾體積損失致溶洞過大變形的問題，應用數(shù)值方法，建立了三維隧道開挖分析的數(shù)值模型，分析盾構(gòu)隧道開挖引起溶洞變形的規(guī)律：
　?、佼斎芏次挥谒淼老路綍r，溶洞洞頂?shù)呢Q向位移隨著溶洞與隧道垂直距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大，深埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移小于淺埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移。溶洞在豎直平面的表現(xiàn)為“壓扁”的橢圓形變形，在水平面表現(xiàn)為向外的“擴張”變形。溶洞變形量隨著溶洞與隧道距離的增大而減小，

6、隨著溶洞直徑的增大而增大。深埋隧道產(chǎn)生的變形較淺埋隧道小。
　　②當溶洞位于隧道側(cè)方時，溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移隨溶洞與隧道水平距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大，深埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移小于淺埋隧道產(chǎn)生的溶洞洞頂?shù)呢Q向位移和溶洞的側(cè)向位移；溶洞近隧道一側(cè)的變形比遠隧道一側(cè)的變形大。溶洞的變形隨溶洞與隧道水平距離的增大而減小，隨著溶洞直徑的增大而增大。深埋隧道產(chǎn)生的隧道變形較淺埋隧道小。廣

7、州地區(qū)隧道與溶洞的安全垂直距離為1.9倍隧道直徑，隧道與溶洞的安全水平距離為2.1倍隧道直徑。
　　4)巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工的安全控制參數(shù)及其對地表沉降的影響：
　　根據(jù)廣州地鐵9號線的實測數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了地質(zhì)條件（溶洞分布與大小）、盾構(gòu)尺寸、施工參數(shù)對隧道軸線偏差與地表沉降的影響規(guī)律，提出了保護環(huán)境的盾構(gòu)施工控制工藝與參數(shù)。施工參數(shù)的影響為：總推力隨著刀盤扭矩的增大而增大；掘進速度隨著螺旋機轉(zhuǎn)速的增大而增大；通過調(diào)整掘進速度和

8、螺旋機轉(zhuǎn)速的大小控制土壓力。在巖溶地層砂土灰?guī)r界面進行盾構(gòu)隧道施工時，垂直軸線要低于盾構(gòu)設計軸線，須根據(jù)渣土判斷掌子面軟土和巖石比例，及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，避免產(chǎn)生過大的地表沉降。巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道上方地表沉降滿足 Peck公式中提出的沉降槽規(guī)律，地層損失率范圍為1.1%~2.5%。盾構(gòu)通過砂土灰?guī)r復合地層時，地表沉降較大，最大值達85.8mm。建立了考慮隧道尺寸、地質(zhì)條件、隧道施工三個方面15個參數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型結(jié)構(gòu)，利用該模型可很