刀盘开口率影响的盾构开挖面稳定特性及影响因素敏感度研究

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盾构法因具备掘进速度快、施工效率高及可应对场地受限等优点而受到广泛应用。施工过程中,盾构掘进参数的控制对开挖面稳定性起着关键作用,且刀盘开口率的合理选择是确保盾构机安全、平稳掘进的前提。目前刀盘开口率对盾构开挖面稳定性及盾构体系稳定性还没有进行系统、全面地研究。基于此,本文以广西南宁地铁3号线青~市区间为研究背景,通过理论分析、模型试验、数值模拟等研究方法,开展刀盘开口率对开挖面稳定性的影响研究,并以地层沉降量为指标研究了各影响因素的敏感度。主要研究内容及成果如下:(1)对项目的工程背景及地质、水文条件进行研究分析,依据相似理论,通过室内试验获得与原状土性质相似的岩土材料。考虑刀盘开口率对盾构受力的影响,简化分析受力状况并修正盾构推力、刀盘扭矩的理论公式,为后续试验和数值计算提供支撑。(2)利用自主设计研发的泥水盾构掘进系统,设计开口率分别为55%、38%、21%的三种试验刀盘,进行盾构掘进室内模型试验,得到地表沉降、土压力、泥浆压力及盾构推力、扭矩等变化规律,获取保证开挖面稳定的极限支护比。(3)利用FLAC3D有限差分软件进行不同刀盘开口率的盾构掘进过程模拟,通过逐渐降低注浆压力的方式,获取开挖面极限支护比及地层沉降、泥浆压力、土压力和刀盘变形等变化规律,并与试验结果进行对比验证分析。(4)基于正交实验原理,采用数值模拟的方法对开挖面稳定性的影响因素展开全局敏感度研究,评价了内摩擦角、推进速度、粘聚力、泥浆重度、隧道埋深、刀盘开口率及注浆压力等影响因素的敏感度,发现内摩擦角和推进速度对沉降量指标的影响最为显著。其余影响因素也较为敏感,但影响程度基本一致,在施工过程中不容忽视。
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