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成都地区的地铁隧道工程呈现“三高”特点:地下水位高、卵石含量高、地层强度高,其工程和水文地质特征为其他城市地铁隧道工程所罕见。通过对富水砂卵石地区的地层分布与土质特征数据的统计与分析,以现场试验、室内试验、和数值计算为研究方法,并结合调查研究、理论推导和总结分析的研究手段,以砂卵石土层性质和土体改良研究为基础,拓展到土压力、出土量和同步注浆等研究的技术路线。形成行之有效的土体改良、土压力、同步注浆和出土量控制等方案,对发展富水砂卵石力学特性研究和丰富地铁隧道建设中采用盾构掘进的施工指导,具有重要的意义。本文以成都1、2、3和7号线地铁工程为依托,开展了以下内容的研究:通过对富水砂卵石地区的地层分布与土质特征进行大范围的数据统计、分析,并结合室内试验研究,得到了含水率、细粒含量等因素对砂卵石土强度的影响规律,得到了水压力、细粒含量对砂卵石土渗透性能的影响作用。针对性地对土压平衡式(EPB)盾构机长距离穿越富水砂卵石地层的非适应性,进行综合性的土体改良及参数优化研究。得到了适用于中密砂卵石地层、密实砂卵石地层、复合地层等不同土质状况下的具体改良剂选择、配合比以及优化掺入比范围。系统地分析了在不同改良剂、不同含水率、不同土质条件下,砂卵石地层盾构隧道的土体改良规律。其分析面广、指导性强,可为类似地质条件下的盾构施工提供参考。砂卵石地层下,盾构掘进采取保压模式较佳。本文总结了出土量参数限值的取值范围,得出盾构开挖土的体积系数和密度系数的取值范围;通过使用正态分布统计和T估计法,验证了在砂卵石地层下盾构掘进出土量参数处理的可行性。盾构掘进可通过以上参数预测盾构施工出土量,以及反推盾构开挖土层,以便及时调整盾构掘进模式和掘进参数。借助ABAQUS有限元软件和现场施工数据,建立了土压力参数模型。将地表沉降变化作为参照物,分析得到了土压力大小对地表沉降的影响规律,和砂卵石地层下盾构开挖掌子面处的极限支护压力比,其值为0.1。根据富水砂卵石土特有的性质,本文提出渗透+压密注浆模型,得出了同步注浆从渗透注浆扩散到压密注浆扩散转变的平衡条件,给出了该状态下管片处的极限平衡方程;得出了盾构机的同步注浆压力最低限值,可解决该地层滞后沉降的难题;得出了每掘进环的注浆量公式,计算盾构隧道在中密砂卵石地层掘进中的同步注浆量为6.5 m~3,其可作为富水砂卵石地层盾构隧道同步注浆量的参数建议值。利用有限元软件模拟EPB盾构在富水砂卵石地层的掘进过程,将计算结果与实际监测结果对比,验证了数值计算模型的可行性;运用数值模拟方法,分析了土体改良、土仓压力、出土量、同步注浆等关键参数对盾构隧道施工的影响规律;验证了土体改良的效果,总结了下穿风险源前后辅助工艺,对今后类似条件下的施工提供参考。