砂土地层隧道掌子面的颗粒流模拟

徐 航， 李 斌

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

步入21世纪以来，中国经济发展迅猛，城市化进程的推进使得轨道交通发展迅速。盾构隧道工法应用广泛。盾构隧道掌子面稳定性的研究方法主要分为三种：理论推导、模型试验和数值模拟分析。数值模拟中的颗粒离散元方法突破了有限元方法的宏观连续性假设，在模拟隧道掌子面方面具有独特的优势因而应用广泛。Kamata[1](2003)采用二维块体离散元程序提出了开挖面失稳的更明确的评判标准为开挖面块体开始剥离的临界点；Karim[2](2007)使用颗粒离散元软件PFC3D对Chambon离心试验进行了数值模拟，模拟结果与离心试验得出的有关极限支护力和失稳模式的结论相差不大，间接说明了离散元数值模拟的合理性；Chen[3](2011)采用PFC3D以应变控制方式研究了砂土地基盾构隧道掌子面稳定性，研究显示，随着开挖面位移的增加，支护力迅速减小到极限支护力再增加到残余支护力并逐渐平稳；缪林昌[4](2015)基于Krisch模型试验，采用PFC2D研究了土体密实度对开挖面极限支护力；王俊[5-8](2018)利用PFC3D进行了一系列有关盾构隧道掌子面稳定性的研究，先后分析了隧道埋深、地层特性、刀盘形式和转速以及施工扰动对掌子面极限支护力的影响。

本文依据砂土地层的物理特性，采用三维颗粒离散元方法(PFC3D)，建立了砂土地层隧道开挖的数值模型，从细观层面对开挖过程中掌子面的稳定性进行了详尽的研究，分析了砂土地层隧道掌子面失稳变形规律，确定了掌子面极限支护压力比。……