水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面稳定性研究

• 作 者: 王金麒
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 隧道掌子面稳定 水平分层土 支护压力 对数螺旋线 极限分析法

浅埋隧道由于具有埋深浅,开挖面大的特点,在开挖过程中遇到的土质分层情况往往比较复杂。隧道掌子面的稳定性会对隧道施工的稳定产生重要影响,然而保证掌子面稳定性的关键在于确定合适的极限支护压力。因此,本文对水平分层土质条件下掌子面的极限支护力进行研究。首先,研究隧道掌子面的稳定性的前提是确定掌子面的失稳模式。现有的掌子面失稳模式大多数是建立在均质土层的基础上。本文根据村上公式的对数螺旋线假设,并借鉴水平分层边坡的塌落模式,建立具有共同旋转中心的掌子面超前核心土分层旋转破坏模式,给出了分层土层条件下的掌子面失稳模式。其次,以往的实验研究发现,隧道覆盖层的塌落性质类似于楔形塌落。本文依据覆盖层楔形破坏模式,简化隧道覆盖层土体对掌子面的影响模型。并根据上述理论,计算了极限分析理论所需的外部荷载功率(超前核心土荷载功率,覆盖土层的荷载功率,地表压力的荷载功率)和内能耗散功率(超前核心土滑移面耗散功率和覆盖层土体塌落面耗散功率)。最后,根据极限上限理论,本文建立了优化的极限平衡方程,将支护力引入方程中,并且推导出了保证浅埋隧道掌子面稳定的极限支护力的计算公式,与此同时,为验证理论计算的准确性。本文采用有限差分软件Flac3D对隧道掌子面的失稳模式以及极限支护力进行数值模拟。并将理论分析结果和数值模拟结果进行了对比分析,结果较为吻合,说明本文所述理论具有一定的准确性。研究表明水平分层土质条件下隧道掌子面的稳定性与土质类型,开挖直径以及覆盖层厚度等因素有关。本文为研究水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面的支护稳定性提供了一定的理论指导。