1绪论
相对于盾构險道设计和施工技术的不断发展而言，土体应力释放引起的开挖面失稳仍是难题之一，如何减少施工过程对周围环境的影响，准确判断盾构开挖面稳定性和有效合理选取支护力成为目前盾构施工中亟待解决的关键问题。盾构掘进过程中会导致地层产生变形和位移，其影响因素有多种，其中盾构开挖引起的应力损失与盾构前进时拖出管片在盾尾处留下的间隙是最主要影响因素。对大型泥水平衡盾构險道而言，盾构險道开挖面支护压力的合理设定是保证隧道施工质量的一个重要环节，但如何合理选择开挖面的支护压力也是隧道工程应用中的一个难题。支护压力过小，会导致开挖面前方土体失稳而大量进入泥水舱，引起地层损失，甚至会传递至地表，形成塌陷四坑；而支护压力过大，则容易导致开挖面前方土体发生被动破坏，引发地表隆起，若險道位于江河底部，支护力过大甚至有可能形成隧道与上部水源的水力通道，从而造成江水回灌和淹没隧道的事故。盾构險道施工过程中，地层的非均勻性会直接影响泥水性质，进而会导致支护压力的不断波动和变化，不利于隧道的安全施工控制。在广州地铁，上海地铁，深圳地铁，南京地铁的施工过程中都曾经发生过开挖面失稳，引起地面严重塌陷，影响工期，造成严重的经济损失，所以进行大直径泥水盾构施工中开挖面稳定性准确判断和支护力合理选取方面的相关研究，具有一定的学术价值和工程实际应用的指导意义。
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2开挖面失稳破坏特征大尺寸模型试验研究
2.1引言
本文结合南京长江隧道工程，对高透水性砂质地层大直径泥水平衡盾构幵挖面失稳过程中地表隆沉、土体强度、开挖面水土压力和泥水舱压力等分布特性进行模型试验研究。通过在泥水船内部和开挖面上埋设水、土压力传感器，观测开挖面失稳过程中泥水舱压力和开挖面前方水、土压力的分布和发展情况。对观测结果和盾构掘进参数进行了研究，讨论了泥水舱压力、开挖面水、土压力和不同影响因素（覆土厚度、水头高度、泥装配比和土体性质等）间的关系。
2.2试验对象及目的
本文以南京长江險道浅覆土段粉细砂地层为背景，展开浅覆土中泥水平衡盾构幵挖面失稳的研究。开挖面失稳主要包括主动破坏和被动破坏两种形态，通过大直径物理模型试验来模拟开挖面失稳过程中的受力分布情况和土体的变形情况，从而为开挖面失稳判断和支护力的计算提供可靠的依据。在开展土体一盾构系统的基础试验研究中，不可能将全部参数方案都做成样机。为此，需要建立模型试验的条件和被预测的实物所处的条件之间的某种关系，相似理论正是起到一种联系桥梁的作用。根据相似理论模型试验首先要解决如何进行模型设计以及如何将模型试验中获得的结果推广到原型实体中，并针对长江南京上游过江通道的实际盾构过程严格按照相似理论验证模型试验结果与实际工况结果是否相符。
3泥浆配比对开挖面土体强度影响室内三轴试验研究..........55
3.1引言........55
3.2试验对象及目的.........55
3.3试验内容...............55
4开挖面稳定影响因素数值模拟研究........63
4.1引言....................63
4.2开挖面稳定性影响因素分析.....................63
5开挖面稳定性判断方法研究.........83
5.1引言.....................83
5.2既有开挖面稳定性计算理论对比分析......83
6开挖面极限支护力计算方法研究
6.1引言
浅埋透水砂层中盾构掘进时，开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳，同时，在覆土厚度较小、水压较大情况下，压力过大还可能发生泥水勞裂地层现象，产生重大事故。泥水平衡盾构的支护压力上下限解是支护力的重要研究内容，国内外学者提出了很多经验公式以及计算模型，常用的切口水压力公式是以朗肯土压力为基础，再加上一个浮动力来设定的，泥水平衡盾构的浮动力设定为，是为了考虑施工中泥装压力要出现脉动状态给定的一种安全余度，但由于泥水盾构开挖面支护力由泥楽提供，盾构掘进是一个三维动态推进过程，泥水在压力作用下通过开挖面土体间隙流入地层，施工中开挖面支护压力的大小决定着盾构掘进对周围土体造成的影响程度，泥楽压力会造成地层中产生超孔隙水压力，超孔隙水压力增加到某一数值时开始消散，这个数值伴随着施工进展不断变化。
6.2经典计算理论及方法简介
极限支护力的计算不能简单的将侧向土压力简化为作用于整个开挖面上的静止土压力，由于开挖面前方土体松动，存在一个临界破坏状态，在试验中不难看出，在形成主动破坏时，隧道上方土体的形态满足仓筒理论，破坏形态的大小除了与砂土性质、水头高度有关，而且根据孔土压力测试，超孔压的出现会对土体强度产生影响，所以极限支护力的计算必须考虑泥衆压力造成的超孔隙水压力。目前，常用的理论计算模型为楔型体理论模型，通过假定开挖面前方滑动区域为一楔型体（靠近开挖面为正方形）及一棱柱体，通过力的平衡来求解理论最小支护压力。模型分别为：二维对数螺旋线滑移面计算方法、二维直线滑移面计算方法和三角形模型体模型。
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7结论与展望
本文以模型试验、三轴试验和数值模拟为手段，对高透水性砂质地层中泥水平衡盾构險道施工开挖面主动破坏和被动破坏发生的机制进行研究，并对影响开挖面稳定的主要因素进行分析和探讨，在此基础上，提出了砂质地层开挖面失稳判断的判据，并给出了支护力计算公式。本文主要结论如下：
（1）泥奖对于泥水平衡盾构施工非常重要，泥菜在开挖面形成的泥膜做为维持开挖面稳定的支护力传递介质，直接作用于开挖面土体，而对于泥菜对开挖面土体性质和强度的影响研究目前尚处于探索阶段。通过静三轴试验，发现泥菜在形成泥膜的过程中，首先会改变土体的性质，表现为砂土的粘聚力上升而内摩擦角降低；其次，随着围压的升高，注楽后土体的强度有所提高。
（2）在模型试验中，模拟了不同泥装配比、覆土厚度、水头高度和土体性质等工况下开挖面主动破坏的情况。结果表明，覆土厚度和水头高度对开挖面的稳定性影响较大。随着覆土厚度的增加，开挖面所需支护力也增加；由于水的存在，在隧道施工中会在地层中形成渗流和超孔隙水压力，造成开挖面稳定性降低；试验证实了开挖面失稳过程中确实存在土拱效应，尤其是在干砂地层中土拱效应明显，但是不应将土拱效应做为降低开挖面支护力的计算依据。通过数值模拟结果也同样显示，在开挖面发生最大位移变形时，内摩擦角、覆土厚度和水头高度的响应明显。
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参考文献（略）