盾構隧道施工環(huán)境適應性的流固耦合分析.pdf

1、盾構在水位下地層中的施工參數與環(huán)境適應性問題是城市地鐵施工中的難點問題，由于地下水導致的開挖面坍塌、地表沉降、管片破裂等工程問題經常發(fā)生。針對此問題的相關研究理論往往將應力分析和滲流分析單獨進行，兩者相結合的流固耦合研究工作較少，而土體中超靜孔壓的產生和消散均與此密切相關。因此，本文基于流固耦合理論，針對盾構隧道的施工參數環(huán)境適應性問題，采用理論解析、數值模擬、模型試驗以及現(xiàn)場工程實測等方法進行了研究，包括盾構施工的孔壓擾動規(guī)律、開挖面

2、穩(wěn)定性以及管片承載規(guī)律等方面。通過研究得到了如下結論:
　　(1)結合上海虹橋迎賓三路隧道工程，采用所編制的ABAQUS輔助分析程序，建立了包括各種盾構施工參數影響的三維流固耦合分析模型，并將不同施工參數情況下超靜孔壓計算結果與實測值進行了對比，驗證了模型的合理性。之后分析了開挖面推力、注漿壓力、開挖速度、開挖面水頭、隧道埋深以及土體滲透系數等參數對隧道周圍最大超靜孔壓的影響，獲得了最大超靜孔壓擬合計算公式，與現(xiàn)場實測和解析解的對

3、比說明三維流固耦合計算可更合理分析盾構施工對孔壓的擾動。同時，較大的超靜孔壓值對應于較大的地表沉降，因此可將實測孔壓值與數值計算結果進行對比，從而進行施工參數的調整。在上海虹橋迎賓三路隧道工程試驗段的施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)測數據表明可根據孔壓監(jiān)測值調整施工參數，最終減小地面沉降。
　　(2)針對地下水對開挖面上方土拱的影響，進行了干砂和飽和砂的對比模型試驗。實驗結果顯示地下水的存在，減緩了土拱隨開挖面變形的形成過程;并減小了土拱發(fā)展的

4、高度，在相同的開挖面變形時，相對于干砂時地下水減小土拱高度的比例為10％-15％。同時，地表沉降的發(fā)展過程與開挖面上方土拱的形成具有對應關系，地下水的存在通過降低土拱發(fā)展高度最終減小了地面沉降。根據實驗結果結合楔形體模型提出了計算開挖面最小推力時的修正系數，即需對上方棱柱體受到的側土壓力系數進行修正。
　　(3)盾構施工過程中地質條件變化、刀盤循環(huán)轉動切割土體、停盾拼裝管片等因素對開挖面推力值的穩(wěn)定性將產生影響，因此結合現(xiàn)場監(jiān)測數

5、據，指出開挖面推力是—持續(xù)波動的力，此波動力將在開挖面前方產生可累積的超靜孔壓，最終對開挖面穩(wěn)定性產生影響。通過建立簡化的分層土分析模型，得到了開挖面前方超靜孔壓計算方法;進而采用楔形體模型，給出了超靜孔壓對開挖面穩(wěn)定性影響的計算方法。計算結果顯示超靜孔壓將顯著降低開挖面的穩(wěn)定性，因此在開挖面支護力的計算中需考慮推力波動變化的影響。通過參數分析給出了不同情況下產生的超靜孔壓大小以及對開挖面穩(wěn)定性影響的計算結果。
　　(4)土體滲透

6、系數與其承載時孔隙比的變化存在對應關系，基于此給出了簡化的分段孔隙比～滲透系數關系曲線，用于管片整體滲透時的流固耦合計算。首先建立了包括管片和土體的流固耦合分析模型，包括滲流模型和力學模型;力學模型中土體分為彈性區(qū)和塑性區(qū)，其中彈性區(qū)根據孔隙比—滲透系數關系曲線進一步分區(qū)，從而考慮土體滲透系數變化的影響。通過各分區(qū)半徑取值將滲流計算和力學計算之間建立起聯(lián)系，從而得到了流固耦合計算方法。計算結果為實際管片承載設計提供了參考。
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