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为了提高我国岩质地层地铁隧道建设的机械化水平和建设速度,部分城市开始探索采用TBM进行施工。双护盾TBM具有地质适应性强,施工速度快等优点,逐步在青岛、深圳地铁建设中推广应用。双护盾TBM隧道管片与围岩之间存在10-20cm的间隙,采用碎石(豆砾石)回填并注浆,形成围岩-回填层-管片相互作用体系,回填层作为围岩与管片之间的连接层对管片受力及围岩变形具有重要影响。然而,目前国内外关于回填层的研究成果较少,对回填层的作用缺乏明确的认识,这就造成了管片结构设计、纵向变形研究、地表沉降预测等均忽略了回填层的存在,与工程实际存在差别。对此,研究以青岛地铁双护盾TBM隧道为依托,针对地铁隧道特点及回填层的影响,采用了理论分析、文献调研、数值模拟、室内试验、现场试验等多种方法,对双护盾TBM隧道施工阶段进行了划分,分析了围岩-回填层-管片的空间分布。在此基础上开展了双护盾TBM隧道管片受力规律及结构设计方法,双护盾TBM隧道管片纵向变形控制方法,双护盾TBM隧道地表沉降规律及预测方法研究。研究取得了以下成果:(1)基于支护状态将双护盾TBM隧道施工划分为四个阶段,明确了围岩-回填层-管片的空间关系。在此基础上,通过现场试验明确了双护盾TBM隧道各区段的管片受力特征、隧道纵向变形规律和地表沉降规律,得出回填层对管片受力、隧道纵向变形和地表沉降具有重要影响。(2)采用相似模型试验探明了不同状态下的回填层对管片结构受力的影响规律及机理,研究得出了双护盾TBM隧道结构设计中回填层不能作为承载结构,应与围岩视作广义地层的明确定位,并提出了考虑回填层-围岩空间分布的回填层-围岩耦合抗力系数计算方法,在此基础上,建立了双护盾TBM隧道管片结构设计模型,形成了城市地铁双护盾TBM隧道结构设计方法。(3)采用三轴剪切试验探明了碎石的力学特性,通过离散元-有限差分耦合计算得出了管片下卧碎石-围岩耦合基床的变形机理,提出了碎石-围岩耦合基床非线性变形计算方法。在此基础上,结合提出的纵向接头抗剪刚度计算方法,建立了施工阶段考虑碎石吹填的直行段隧道纵向变形及转弯段水平偏移计算模型。通过分析碎石吹填、接头刚度、转弯半径、千斤顶推力等对管片纵向变形的影响,得出了碎石吹填比为影响管片纵向变形的关键因素,并提出了管片纵向变形控制措施。(4)明确了碎石吹填及颗粒迁移对双护盾TBM隧道地表沉降的影响规律及影响机理,得出了碎石吹填比为影响地表沉降的关键因素。在此基础上,考虑了碎石吹填体积对地层损失的影响,分别建立了双护盾TBM隧道地表沉降Peck计算公式和镜像法计算公式,并进行了现场验证。通过分析碎石吹填比及吹填体积对地表变形的影响,给出了碎石吹填比及吹填体积的控制值。