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原文传递富水软弱地层浅埋暗挖隧道地层变形规律及预测研究

论文题名：	富水软弱地层浅埋暗挖隧道地层变形规律及预测研究
关键词：	富水软弱地层;浅埋暗挖法;地下水渗流;孔隙水压力;地层变形;隧道工程
摘要：	目前，国内新建浅埋暗挖隧道工程时常需要在地下水位高、地下水丰富的软弱地层环境下进行。相比于干燥地区，富水软弱地层环境下浅埋暗挖法施工引起的地层变形特征以及众多因素对地层变形的影响尚不明晰，这无疑增加了施工风险和难度。本文依次通过室内模型试验、现场监测、数值模拟以及机器学习模型，深入研究了富水软弱地层条件下浅埋暗挖隧道施工阶段内地层变形规律与相应预测方法，主要研究工作和成果如下: 　　(1)通过室内模型试验定性研究了软土隧道开挖地层变形机理。模型试验考虑了三种不同加固情况:隧道掌子面无加固、管棚加固和“管棚+注浆”加固。在不同加固条件下，分析了掌子面前方软土的应力释放规律、纵向地表沉降和地层变形发展模式，并与常见的砂土试验结果进行对比，揭示了两者变形特征的差异。　　(2)采用现场监测数据定量分析了地下水渗流作用下的地表沉降规律。以杭州紫之隧道北口浅埋暗挖段和深圳地铁5、7号线重叠段作为两个工程背景，首先总结了地表沉降发展的三个阶段和快速沉降阶段的影响范围，然后归纳了拱顶下沉量与地表沉降量的比值区间，最后采用经验公式对横、纵向地表沉降槽进行拟合，从三方面揭示了施工过程中地下水渗流对地表沉降的影响。　　(3)针对渗流作用下Peck公式拟合地表沉降监测数据存在一定偏差的情况，提出了适用于描绘富水软弱地层横向地表沉降槽的修正Peck公式，并使用现场监测数据和后续的数值计算结果对其适用性进行验证。　　(4)以上述两个工程实例为背景，开展三维流固耦合数值计算，分析了地下水渗流对富水软弱地层变形的作用机理。首先阐述了数值模型的建立方法和模拟流程。接着将地表沉降模拟结果与现场实测结果进行对比，证实了地下水渗流对地表沉降发展的影响。最后通过分析孔压分布和地层变形发展之间的关系，深入研究了地下水渗流作用机理，同时呈现了地层变形特点。　　(5)针对小净距双孔隧道开展参数分析，研究了5个与渗流相关的因素对孔压分布、地表沉降和衬砌内力的影响，包括地层渗透系数、衬砌与地层相对渗透系数、地层预加固方式、隧道施工顺序、隧道间掌子面距离，为渗流作用下浅埋暗挖施工提供了合理指导。　　(6)基于机器学习模型提出了隧道上方地表沉降的预测方法。首先根据上述两个隧道工程实例的水文地质条件、隧道几何条件以及施工支护条件，以及隧道中轴线上方地表沉降量对样本数据进行选取和量化。然后按照8∶2分配训练样本数据和预测样本数据，采取模型参数寻优以及遗传算法优化的方法，分别建立了具有较高预测精度的BP神经网络模型和支持向量机回归模型，验证了机器学习模型的可行性。最后对两种机器学习模型进行了敏感性分析，并讨论了不考虑渗流作用对沉降预测精度的影响。
作者：	甘鹏路
专业：	岩土工程
导师：	唐晓武
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文