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盾构竖井垂直顶管顶升力模型试验及离散元分析
随着城市化进程的加速，地下空间的开发利用已成为解决城市交通拥堵和房地产开发的重要手段之一。而作为地下空间开发建设的关键技术——盾构工程的应用也日益广泛。盾构竖井作为盾构隧道中连接地面和洞身的构筑物，其施工质量将直接影响隧道的稳定性和建设质量。因此，在盾构竖井的设计和施工过程中，对受力性能进行充分的探究和研究显得尤为重要。
盾构竖井工程的顶升力问题是影响其稳定性的关键因素之一。顶升力的大小与土层的属性、竖井壁面的几何形状、盾构机的补偿措施和作业施工等因素密切相关。盾构竖井的施工过程中，地面注浆和吊索预留会使得竖井周围土层产生不均匀的应力分布，导致盾构竖井受到顶升力的作用。若盾构竖井受到过大的顶升力，可能会引发竖井失稳、墙体断裂和倒塌等严重事故，对工作人员和周围环境造成危害。因此，对盾构竖井的顶升力问题进行研究，对提高竖井施工效率、保证安全质量具有重要的理论和实践意义。
本文针对盾构竖井的顶升力问题，从试验和数值模拟两个方面，进行了研究和分析。
一、盾构竖井垂直顶管顶升力模型试验
为了研究盾构竖井的顶升力问题，采用垂直顶管导向技术，进行了竖井顶升力模型试验。具体实验步骤如下：
1.模型制作：选取尺寸为80cm×80cm的正方形竖井，制作出竖井模型，并在上部和下部开设1cm的排水孔。
2.土体材料：采用密度为1.7g/cm³的沙子、水泥和黏土等材料进行试验。
3.实验装置：模型试验装备包括支撑结构、垂直顶管、导向架和辅助设备等。
4.实验流程：将制作好的竖井模型放入实验设备中，通过施加压力、拨动导向架等方式模拟盾构机械作业过程，同时记录竖井周围土层的应力变化情况，以及竖井上部和下部水平位移数据。
实验结果表明，盾构竖井在实际施工过程中发生顶升力已成为事实，竖井变形主要在第一环和第二环之间发生，且顶升力大小与盾构施工的阻力特性和工作面推进速度有关。而当土层为饱和状态时，表现出更明显的顶升力效应。
二、盾构竖井顶升力离散元数值模拟
顶升力问题是一种典型的固-液耦合问题，因此，本文进一步采用离散元数值模拟方法，建立了盾构竖井的顶升力模型，对竖井在受到顶升力作用下的动力响应和破坏规律进行了分析。
建模过程中，采用PFC2D离散元软件，将竖井周围土体粒子离散化，并考虑垂直顶管与竖井壁的接触作用，以及水泥浆的渗透流作用。运用有限元程序对竖井进行模拟，得到了竖井在顶升作用下的应力-应变状态变化，并通过动力分析求解竖井的稳定性。
模拟结果显示，盾构施工过程中的注浆和吊索预留等因素都会增加竖井周围土体的初始应力，并产生较大的剪切应力和压缩应力。与此同时，随着盾构机推进速度的加快，竖井周围地层的抵抗力逐渐降低，竖井顶部的集中顶升力逐渐增大，竖井结构逐渐失稳。最终，竖井壁体局部破坏，形成裂缝，甚至导致竖井倒塌等严重后果，从而对周围环境造成危害。
综上所述，盾构竖井的顶升力问题是盾构工程中必须要解决的一个关键技术问题。通过实验和数值模拟的方法对其进行研究和分析，可以为盾构竖井的施工提供一定的理论依据和实践指导，并提高施工的安全质量。