A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the
Degree of Doctor of Philosophy in Engineering
Research on Soil-Shield Interaction and Driving Force Planning
. Candidate : Hu Xiangtao
Major : Mechatronic Engineering
Supervisor : Prof. Xiong Youlun
Prof. Yin Zhouping
Huazhong University of Science and Technology
Wuhan, Hubei 430074, . China
May 2012
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工
作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本
论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本
文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人
完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期: 年月日
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不保密□。
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学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年月日日期: 年月日
华中科技大学博士学位论文
摘要
盾构法已被广泛应用于城市地下铁路、越江通道和地下管线等隧道工程的施工中,
但是,由于地质条件的随机多样性和作业工况的不确定性,盾构作业时的安全、效率、
可靠性及对地质的适应性等问题仍是目前尚未解决的国际性重大技术难题。因此,有
必要开展土-盾构相互作用研究,并建立合理的推进载荷规划策略。本论文针对地层稳
定性问题、推进载荷规划与控制问题开展了数值模拟、建模和实验分析等工作。主要
研究内容及取得的成果如下:
①建立了隧道稳定性分析模型
随着盾构直径的增大,传统的基于均匀支护压力假设的开挖面失稳理论已不适用,
支护压力梯度则不可忽视。本文通过数值模拟发现支护压力梯度不仅对极限支护压力
有很大的影响,而且导致开挖面失稳模式发生变化:整体失稳向局部失稳转变。此外,
试验证明太沙基松动土压力理论在预测地层竖向极限土压力时存在随着埋深的增加
误差急剧增大的问题。因此,本文探讨了刚性滑块极限分析上限法的适用性,并对隧
道围岩稳定性问题进行了研究,分别提出多层刚性滑块失稳模型(MLBFM)和松动
土压力极限分析模型。实例分析结果表明:MLBFM 能够根据不同的支护压力梯度合
理地估算出开挖面极限支护压力,准确预测出局部失稳现象;相对于太沙基松动土压
力理论,松动土压力极限分析模型的计算结果更接近数值模拟结果。
②建立了盾构推进载荷动态预测模型
确定推进载荷的关键是精确计算围岩载荷和掘进界面载荷。本文基于反演分析法
建立了推进载荷动态预测模型,反映了地层特性、盾构运行状态、结构参数和操作参
数之间的相互耦合作用,实现了推进载荷在线预测。模型由:掘进界面载荷反演优化
模型和围岩载荷反演优化模型两部分构成。前者是通过土仓支护压力的实时监测值反
分析掘进界面土压力及其分布,从而考虑了掘进界面载荷随机变化特性。后者采用地
层反力曲线描述围岩法向土压力与地层位移之间的映射关系,并假设围岩地层法向位
移由地层损失引起的初始位移和盾构姿态变化的附加位移组成。实例分析结果表明:
在相对平稳阶段,推进载荷预测结果与实测数据具有相同的变化趋势,预测精度较高;
但是在突变阶段,预测结果存在明显滞后,误差增大。
③建立了基于马尔科夫决策过程的推进载荷规划模型
工程中,通常采用人工方式或经验模型控制盾构掘进,由于缺少理论背景,盾构
I
华中科技大学博士学位论文
实际掘进轨迹呈现“蛇形”运动趋势。本文充分考虑掘进过程中随机因素,将盾构自
动纠偏看成不确定环境下序贯决策问题,采用马尔科夫决策过程(MDP)理论研究推
进载荷
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