盾构隧道施工中,通过在开挖面前方土层施加与原始地层应力相等的支护应力来预防开挖引起的地层变位,但是由于地层条件的千变万化及施工综合因素的影响,使得开挖面支护压力的设定与控制较为困难。 土压式盾构施工中开挖面支护压力设定与实际表现受到压力舱土性及掘进参数等因素的影响,使得实际施工中压力值波动很大,同时受施工中地层条件及埋深的不断变化要求,实际支护压力设定值也不断改变,所有都为实际工程中开挖面的稳定控制带来隐患。因此研究支护压力控制引起开挖面的变形与破坏问题具有实际工程意义。 本文针对开挖面支护压力控制与隧道地层变形及破坏问题研究需要,采用能够考虑大变形、渐进破坏的三维有限差分(Flac3D)数值计算程序,设计数值模拟试验方案,研究盾构隧道施工中开挖面支护压力控制与掘进引起周围围岩的变形及破坏问题,主要内容如下: (1) 研究不同支护压力下隧道地层的变形规律,提出了开挖面支护压大小与隧道地层变形表现可概化为三个阶段;通过对开挖面支护压力不足引起的地层应力释放率进行研究,得到释放率大小与土体位置相关等认识,提出考虑支护压力来确定土体应力释放率的方法; (2) 研究了砂土及粘土地层中开挖面失稳破坏模式及破坏后发展变形规律,提出盾构施工中,开挖控制应该考虑土体变形模量来决定采用压力控制还是变形控制;对开挖面失稳发展规律研究表明,盾构掘进工程中,开挖面失稳后破坏发展程度与盾构机掘进过程中的超排土量密切相关; (3) 不同隧道洞径、埋深及土层参数对开挖面极限支护压力及隧道地层变形与破坏的影响研究表明,随着土体强度增大,土压盾构施工中敞开式开挖模式能够保证正常施工要求;随着埋深的增大,极限支护压力有所增大,粘土地层表现更为明显;洞径与开挖面极限最小支护压力成简单线性关系; (4) 基于模拟挡板下落数值计算研究,对极限支护压力楔型体计算模型中的关键参数—上覆松动土压力的确定进行分析,提出考虑位移量影响的上覆土体松动土压力计算方法,最后,结合盾构施工开挖面失稳模式认识,对极限支护压力楔型体模型的应用进行改进。