131 / 2024-08-23 14:09:31

基于对数螺旋曲面模型的盾构隧道被动破坏极限支护力分析与数值验证

盾构隧道；开挖面稳定性；三维上限分析；数值模拟

针对盾构隧道施工中的被动破坏问题，提出了一种基于对数螺旋曲面轮廓的盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力计算模型，并通过数值模拟和理论分析对模型的可靠性进行了验证。首先，本文假设盾构隧道的被动破坏机构为三维空间中的对数螺旋曲面轮廓，基于该假设，建立了被动极限支护力的理论计算模型，并利用Matlab实现了盾构隧道被动破坏机构的三维可视化与支护力的计算。为了进一步验证理论模型的可靠性，本文采用有限差分法软件FLAC3D建立了三维数值计算模型，对比分析了不同埋深、土体内摩擦角条件下的盾构隧道掌子面的变形与破坏机制。数值模拟结果显示，随着隧道埋深的增加，盾构隧道的被动破坏模式逐渐从突变式“脆性”破坏向渐变式“延性”破坏发展。此外，土体内摩擦角和隧道埋深也是影响被动极限支护力的关键因素。在浅埋和低内摩擦角的地层条件下，盾构支护力对隧道掌子面的稳定性影响显著，当支护力超过极限值时，隧道易发生井喷式破坏。因此，在此类地层条件下的盾构施工中，需特别关注支护力的变化，以避免隧道失稳破坏的发生。本文通过对比理论计算与数值模拟结果发现，理论模型在埋深较小的情况下与数值模拟结果较为吻合，但在埋深较大的条件下，理论模型对极限支护力的估计存在偏高的问题。因此，在深埋隧道的支护力设计中，建议采用数值模拟的方法进行更为准确的估算。