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上硬下软复合地层大直径盾构掌子面稳定性研究

盾构隧道；复合地层；上硬下软；掌子面；极限平衡法

复合地层是隧道开挖过程经常遇到的地质情况，大大增加了维持隧道掌子面稳定性的难度。其中关于上硬下软地层的研究甚少，相对软硬程度对掌子面破坏机理的影响不清晰，因此本文采用数值和理论方法系统地研究了不同无侧限抗压强度比（K_u/K_l）条件下上硬下软复合地层对掌子面失稳灾变的演化机理。通过数值模拟了解了随K_u/K_l的增加，掌子面失稳形态的变化建立了考虑不同强度比预测掌子面失稳的理论模型，并与相关理论模型进行对比验证，得出以下几点主要结论：（1）随着K_u/K_l增加，极限支护压力先是速降，随后缓降，最后趋于稳定；（2）Ding模型对K_u/K_l的变化敏感度最高，且预测结果更为保守，而Mollon模型和本文提出的模型的结果与数值模拟更接近；（3）破坏角取为45°+φ/2时，维持开挖面稳定所需的极限支护压力最大；（4）随着黏聚力和摩擦角的增加，临界K_u/K_l呈线性减小；随着埋深比和土体重度的增加，临界K_u/K_l则保持不变。