土压平衡式盾构掘削面土体移动的细观机理研究

土压平衡式盾构施工过程中，掘削面土体移动对地表及周围环境具有重要影响。在软粘性土地层中，地层变形是连续的，采用基于连续介质模型的数值方法即可获得与工程实际吻合较好的结果。而在砂、砂卵石等颗粒个体特征突出的地层中，掘削面土体移动多体现为塌落，其变形是非连续的。本课题从细观层面上对土压平衡式盾构掘进引起地层移动的机理开展研究，首先基于Φ52cm模型盾构机试验平台，以相似原理为基础开展砂性地层条件下盾构掘进全过程的室内模型试验，通过试验获得砂性地层条件下盾构掘进引起地层移动的一般规律；其次采用PFC数值模拟的方法研究盾构掘进引起地层移动的细观行为特征，包括到盘与掘削面地层相互作用的数值分析、单洞及双洞隧道掘进引起的地层移动细观行为特征、临近桩基础及扩大基础施工时盾构掘进引起的地层移动细观行为特征等；最后，以成都地铁穿越砂卵石地层为依托工程，对盾构掘进引起的地表沉降等进行现场监测，分析得到盾构推力、扭矩、推进速度、转速等掘进参数之间的相关关系及其对地表沉降的影响。课题研究获得了砂性地层条件下盾构掘进过程中周围土体移动的细观行为特征、土体移动发展及延伸的基本规律、盾构掘削参数的相关关系及其对地层移动的影响规律。课题研究为土压平衡式盾构机在该类地层条件下的掘进控制及地表沉降监控提供了指导。 2100433B

土压平衡式盾构施工过程中，掘削面土体移动对地表及周围环境具有重要影响。在软粘性土地层中，地层变形是连续的，采用基于连续介质模型的数值方法即可获得与工程实际吻合较好的结果。而在砂、砂卵石等颗粒个体特征突出的地层中，掘削面土体移动多体现为塌落，其变形是非连续的。本项申请拟从细观层面入手，对砂、砂卵石等地层条件下的土压平衡式盾构掘削面土体移动机理开展研究。首先基于颗粒流方法研究掘削面土体移动的细观行为特征、掘削面塌落空洞发展及延伸的基本规律，确定地层细观参数对掘削面土体移动形态及塌落空洞的影响，获得盾构掘削参数对掘削面土体移动的影响规律；其次采用室内模型试验研究掘削面土体移动与盾构掘削参数的关系；最后综合颗粒流模拟、室内模型试验及现场观测数据，探明松散的干砂地层、砂卵石地层中掘削面土体移动与盾构掘削参数、地表沉降之间的相关关系，为土压平衡式盾构机在该类地层条件下的掘进控制及地表沉降监控提供指导。

本项目利用先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，进行堤坝的渗透模型试验，摄录土颗粒的移动轨迹，确定形成管涌的临界参数。基于散体介质颗粒流理论及其分析方法等细观力学手段，分析渗流与土介质的共同作用及渗流的贴壁挤土效应，深入研究管涌形成过程的细观力学机理。建立关于管涌形成和发展规律的细观理论模型，利用并开发PFC2D软件对管涌形成与发展过程中土颗粒的移动规律进行细观仿真模拟。结合堤防工程的管涌险情实例进行分析研究，为管涌险情的预测和治理提供参考意见。本研究成果对防洪减灾具有重要意义。 2100433B

采用散粒介质力学与细观机理分析方法，通过三轴数值试验，模拟在地震荷载作用下饱和砂土液化过程，探讨液化过程中状态转换面的产生、稳态变形、循环活动性发展等的细观机理。在此基础上，发展一个颗粒-流体耦合的饱和砂土细观力学模型，模型中颗粒运动采用散粒介质的离散单元方法模拟，流体运动采用计算流体动力学（CFD）技术计算，通过一定的边界条件实现流固两相的耦合。采用建立的细观模型研究饱和砂土液化时土体的局部渗流特性，分析渗透系数与应力、细观组构演化与宏观应力应变发展之间的定量关系。在振动模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，测量分析饱和砂土液化时土体细观组构参数的演化规律，并与数值结果进行对比分析。最后根据上述流体-颗粒耦合细观模拟、组构演化规律分析以及模型试验结果，建立一个基于细观机理分析的饱和砂土液化模型。 2100433B