砂砾地层盾构隧道受力光弹试验

为满足城市地下管廊、城际快速地下交通网的建设需求，中国隧道工程的应用率与日俱增。砂砾地层因黏聚力较低，与其他地质条件地层相比工程特性明显。在分析类似地质情况下的盾构隧道受力时，连续性介质假设已不能满足实际需求，应从非连续介质角度分析隧道及其周围岩石介质的受力分布。通过光弹试验观测砂砾地层中隧道-围岩系统内的力链强弱及其分布形式，并应用数字图像处理方法提取力链信息。在光弹颗粒中设置圆形管道以模拟盾构隧道，并通过改变内置管道的直径大小，改变上部及侧部载荷大小，以及在管道底部进行光弹颗粒释放，来分析砂砾地层中隧道直径、埋深变化及隧道底部的地层破坏、流动对隧道-围岩系统中力链分布的影响。利用颗粒元软件PFC对试验过程进行数值模拟，对比分析模拟结果与试验结果以验证试验的可靠性。结果表明：力链是砂砾地层与隧道之间载荷传递的主要方式，围岩与隧道间的接触力分布具有非对称性；隧道的椭圆化程度及其周围砂砾岩层中的力链密度，均随着隧道直径和埋深的增加而增大；当砂砾地层破坏、流动时，隧道-围岩系统内的力链也被破坏并重新分布，地层内维持系统稳定的“环状”强力链退化成为“拱形”强力链，系统自稳性产生破坏，此时应采取措施强化系统的稳定性。