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渗流条件下辐条式刀盘盾构掘进面稳定性分析

作　者: 惠永川
导　师: 张义同
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 盾构施工 掘进面稳定性 辐条式刀盘 地下水渗流 数值模拟
分类号: O357.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


盾构法凭其自身的优势,成为目前最主要的隧道施工方法,其中土压平衡式盾构的使用较为广泛。但是由于地质条件和施工工艺的影响,很难避免对周围地层的扰动,可能引起隧道掘进面失稳破坏,因此隧道掘进面的稳定性研究就具有非常重要的意义。刀盘作为盾构机的关键部件之一,起着至关重要的作用,主要有开挖土体、维持掘进面稳定和搅拌土砂的功能,刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种基本形式,目前国内盾构施工对辐条式刀盘的使用越来越多。本文将在考虑地下水渗流的情况下,研究使用辐条式刀盘的土压平衡式盾构机在施工过程中各参数对掘进面稳定性的影响。根据如上所述,本文主要进行如下工作:1.对隧道盾构掘进面稳定性研究的发展状况进行综述,阐述盾构隧道施工中保持掘进面稳定的重要性;2.针对掘进面稳定性研究对数值模拟计算程序的要求,运用显示动态松弛拉格郎日差分软件(Flac3D)作为分析问题的工具,阐述程序求解原理及实现关键技术,选择合理的材料本构模型,设计数值模拟的具体方案;3.建立砂土地层计算模型,研究有地下水存在,应用辐条式刀盘的情况下,刀盘开口处支护力变化引起的围岩变形规律,得出确定掘进面极限支护力的方法和砂土地层掘进面失稳破坏时的状态。在此基础上对影响掘进面稳定性的一些重要的隧道参数、地下水位的变化以及其他影响渗流的参数对掘进面稳定性进行敏感性分析,重点对刀盘开口率的影响进行分析;4.建立粘土地层计算模型,得出在有地下水存在,应用辐条式刀盘的条件下,粘土体地层掘进面失稳破坏模式,并分析各影响因素对掘进面稳定性的敏感性分析,得出相关结论,为盾构施工提供参考。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-17
  1.1 课题研究背景  7-8
  1.2 掘进面稳定与破坏的研究现状  8-15
    1.2.1 解析法  10-12
    1.2.2 模型试验研究  12-13
    1.2.3 数值分析方法  13-15
  1.3 本课题研究目的及意义  15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
第二章 盾构法施工原理及数值模拟计算程序  17-30
  2.1 盾构法施工原理  17-18
  2.2 土压平衡的实现方法  18-20
  2.3 数值模拟计算原理简介  20-22
    2.3.1 Flac3D基本原理  20-22
    2.3.2 Flac3D数值计算的过程  22
  2.4 材料本构模型  22-27
    2.4.1 土体本构模型的选择  22-23
    2.4.2 弹塑性理论  23-25
    2.4.3 破坏准则和流动法则  25-27
  2.5 初始条件与隧道开挖的模拟  27-29
    2.5.1 初始应力场的模拟  27
    2.5.2 隧道开挖的模拟  27-28
    2.5.3 掘进面支护压力的表示方法  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章 刀盘设计综述与土中的渗流  30-36
  3.1 刀盘设计综述  30-33
    3.1.1 刀盘的结构型式  30-32
    3.1.2 刀盘结构设计  32-33
  3.2 土中的渗流  33-35
    3.2.1 渗透力和渗透变形  33-34
    3.2.2 Flac3D对渗流的处理  34-35
  3.3 本章小结  35-36
第四章 辐条式刀盘对砂土地层中掘进面稳定性的影响  36-55
  4.1 数值模拟计算模型  36
  4.2 刀盘的简化设计  36-37
  4.3 辐条式刀盘掘进面稳定性影响因素敏感性分析  37-53
    4.3.1 刀盘开口率的影响和刀盘极限开口率  37-40
    4.3.2 隧道埋深的影响  40-44
    4.3.3 隧道直径的影响  44-48
    4.3.4 地下水水位的影响  48-53
  4.4 本章小结  53-55
第五章 辐条式刀盘对粘土地层中掘进面稳定性的影响  55-69
  5.1 数值模拟计算模型  55-56
  5.2 辐条式刀盘掘进面稳定性影响因素敏感性分析  56-67
    5.2.1 刀盘开口率的影响  56-58
    5.2.2 隧道埋深的影响  58-61
    5.2.3 隧道直径的影响  61-64
    5.2.4 地下水水位的影响  64-67
  5.3 本章小结  67-69
第六章 结论与展望  69-71
  6.1 结论  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-74
致谢  74

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 粘性流体力学 > 渗流
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