软弱地层盾构施工掌子面失稳极限状态分析与掘进参数优化研究

• 作 者: 刘克奇
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年01期

随着国民经济水平的迅速提高,城市化进程不断加快,城市化发展导致的交通拥堵、环境污染等问题也越发显著。近年来,城市地下轨道交通建设成为缓解地面交通压力的一种重要方式,而盾构工法因其能够适应复杂多样的地质条件、扰动性小和智能化程度高等优点被广泛应用于城市轨道交通项目。但盾构施工过程中,因开挖面失稳所造成的盾构异常停机、开挖面突涌水乃至地表塌陷、建筑物倒塌等工程事故时有发生,特别是当大直径盾构在渗透性较大的软土地层中施工时掌子面支护效果难以保证,开挖面失稳概率更高。一方面,盾构正常掘进状态下,开挖舱内的支护压力与掌子面前方的水土合压力始终是一个动态的平衡状态,如果支护压力设置不合理,那么这种动态平衡将很容易被打破,这也是盾构施工掌子面失稳的本质原因。另一方面,支护介质的支护作用形式不尽相同,支护作用力能否按照预期目标有效施加在掌子面上是需要进一步明确和保证的。此外,在不同的掘进断面上开挖地层所属工程地质条件和水文地质条件不尽相同,且盾构掘进参数存在不可控的人工操作误差,如何保证盾构机掘进参数的科学调控是实现掌子面有效支护必须解决的问题。综上所述,通过掘进参数的合理调控从而实现盾构开挖工作舱支护压力的有效施加以期维持掌子面的稳定性是软土地层盾构施工必须面对和解决的关键问题,也是不断提升盾构自动化、智能化乃至实现盾构机“无人驾驶”的基本要求。针对上述问题,本文开展了软土地层盾构施工开挖面稳定性分析以及支护作用机理研究,探讨了泥水盾构泥浆支护不同渗透类型对应的支护效果,并结合支护泥浆的渗滤效应和刀盘的切削扰动对掌子面稳定性分析和极限支护力计算模型进行修正,最终依托实际工程中的盾构掘进参数分析建立关键掘进参数的预测模型,并从掌子面稳定性控制和降低能耗的角度出发对关键掘进参数进行优化。本文主要的研究工作及成果如下:（1）基于滑移线理论及极限分析上限定理,研究掌子面前方土体潜在的剪切破坏滑移线,并依据掌子面滑移失稳速度场假设构造滑移系统的速度不连续面,进而确定三维滑移破坏模型形态。最终采用空间离散技术依据土体塑性理论及流动法则逐步确定滑移系统速度不连续面上各点位置信息,计算滑移系统的内部耗散功率与外部荷载作用功率,进而计算盾构施工掌子面的极限支护力。理论模型的构建首先从理想状态的纯黏土地层出发,采用Tresca屈服准则构造规则的圆弧形滑移面,在此基础上将理论模型推广至摩擦型土地层中并实现了三维破坏模型的离散化构建。基于极限剪应变理论构建掌子面失稳临界状态数值计算模型,定义严格的模型计算收敛准则搜索掌子面失稳极限支护力,并提取掌子面失稳临界状态下的极限剪应变破坏模型,从而从破坏模型的形态和极限支护力大小两方面综合分析理论模型的合理性。对比分析表明,理论模型合理考虑了掌子面前方水平向与纵向分布的土拱效应,同时极限剪应变理论能够从应变的角度反映应力分析规律。针对复合地层盾构施工掌子面的稳定性分析,建立极限平衡分析模型并开展案例分析和数值计算,验证了理论模型的合理性。（2）开展泥水盾构泥浆支护泥-土相互作用机理研究,明确不同地层参数与泥浆参数综合影响下的泥浆颗粒运移规律,依托数值试验研究泥浆渗透过程掌子面前方地层中超静孔隙水压力、地层孔隙率等关键参数的变化规律,并明确泥浆渗透成膜的必要条件。在此基础上分别建立泥浆深层渗透和表层渗透模型来描述泥浆在地层中的运移规律以及泥膜的形成和发展过程,并分析关键的地层参数和泥浆参数对泥浆渗透和泥膜发展的影响特征。基于泥浆的渗滤效应分析泥浆支护作用在整个盾构掘进周期内的不同表现形式,并分析盾构掘进关键参数对泥浆成膜以及支护作用效果的影响。针对刀盘转速和刀具贯入度对泥浆成膜的周期性影响,分析泥浆渗滤规律在掘进切削循环中的周期性变化,进而对刀盘切削影响下的泥浆支护效果进行分析。综合泥浆的渗滤效应和刀盘的切削扰动,根据泥浆支护效果的变化规律对掌子面稳定分析方法与极限支护力计算模型进行修正,以满足不同掘进参数条件下掌子面稳定性分析需求。（3）针对盾构掘进的工序复杂性和掌子面地层参数的多变性,结合实际工程获取的盾构掘进参数组合分析各掘进参数之间的相关性,以明确盾构掘进多参数之间的相互影响规律。综合掌子面支护效果以及盾构掘进能耗指标评估盾构掘进参数配置的合理性,并筛选优配的掘进参数组合。在此基础上,采用机器学习方法建立盾构掘进参数的预测模型对关键掘进参数进行预测,同时依据盾构掘进稳定性评估和能耗指标对掘进参数进行优化,使盾构掘进参数配置良好,从而在保证盾构安全掘进的同时降低施工成本。