复杂地层和环境下软土盾构隧道开挖面稳定渐进破坏分析

针对盾构隧道开挖面稳定现有分析方法中存在的不足，本课题从土体渐进破坏实际过程出发，建立了一套开挖面稳定渐进破坏分析方法,并通过离心机模型试验进行对比验证。在江底、河底、海底等高水压环境下进行盾构隧道施工时，再加之土层中常包含高渗透性砂层，土体开挖容易导致地下水渗流，严重影响隧道开挖面稳定。因此，合理考虑渗流对土体渐进破坏的影响，建立一套适用于复杂地层和环境下盾构隧道开挖面稳定的渐进破坏分析方法,可为盾构隧道设计和施工安全提供理论依据，具有重要参考价值。

本项目通过理论分析、数值模拟及试验手段，对各向异性土体强度特性、土体渐进破坏过程、土体稳定性分析方法及隧道开挖面渗流稳定性开展了研究。通过引入合理的偏平面形状函数，建立了土体三维各向异性强度准则，获得了各向异性及中主应力系数对土体峰值强度的影响规律。建立了三维非共轴变形分叉理论判别准则，合理预测了真三轴条件下各向异性土体应变局部化发生点。基于过非局部理论正则化的Mohr-Coulomb软化本构模型，建立了能克服网格敏感性的应变局部化渐进破坏数值模拟方法。建立了盾构隧道开挖面稳定性二维简化数值模拟技术，通过构造合理的失稳模式，得到了开挖面极限支护压力的极限分析上限解，并探讨了土体非均质、各向异性的影响。基于楔形体模型，建立了支护压力的三维极限平衡解三项叠加简化计算公式，并通过三维有限元数值模拟进行了对比验证。通过考虑渗流对开挖面破坏模式的影响，在分析开挖面稳定性时引入渗流力，建立了考虑渗流影响的隧道开挖面支护压力计算方法。研制了一个盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，并进行了开挖面稳定性离心模型试验，为理论分析提供了对比验证。项目成果建立了一套适合于复杂地层和环境的盾构隧道开挖面稳定性分析方法，为盾构隧道设计和施工安全提供理论依据，具有重要理论意义和工程应用价值。