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原文传递富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理及安全隔水层厚度研究

论文题名：	富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理及安全隔水层厚度研究
关键词：	富水砂层;隧道开挖;围岩稳定性;数值模拟;灰关联分析
摘要：	近年来，随着我国国民经济的快速发展，轨道交通事业发展的规模愈来愈大、质量愈来愈高。地铁作为城市轨道交通重要组成部分，因其具有运量大、速度快、运行时间精准、且占用土地少以及不受天气等外部因素影响的优势，能有效缓解城市化进程中存在的人口密集、住房短缺、交通拥堵等问题。然而受到施工条件、设计参数和地层条件等因素的影响，地铁隧道不可避免的穿越软弱地层、富水地层和流砂层等复杂的工程地质条件，给施工、建设和运维等方面带来了显著的不利影响。其中，地铁隧道穿越富水地层是较为常见的，开挖过程中极易出现塌方、突水涌泥和地表沉降等工程风险，隧道围岩所面临的稳定性问题十分严峻。而合理确定隧道主体结构与富水砂层之间的安全隔水层厚度，是保证此类隧道安全建设的重要前提。　　本文以青岛地铁2号线啤-苗区间的富水砂层地铁隧道开挖为研究对象，使用FLAC3D有限差分软件，通过数值模拟对比研究了不同隔水层厚度、富水砂层厚度、地下水位和隔水层土体力学参数等六类因素对富水砂层隧道围岩稳定性的影响。基于灰关联相关理论，分析了不同因素影响下富水砂层中隧道围岩稳定性的敏感性程度。同时基于极限分析理论推导了隔水层安全厚度的解析解，提出了一种富水砂层影响下安全隔水层厚度的预测方法。主要工作内容包括以下三方面：　　（1）基于FLAC3D有限差分软件，考虑不同隔水层厚度、富水砂层厚度、地下水位和隔水层土体力学参数等六类影响因素，综合设计30组对比方案，开展了富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理对比研究。研究表明，富水砂层中地铁隧道拱顶是围岩变形破坏的薄弱部位；随着隔水层厚度、隔水层粘聚力和隔水层内摩擦角的增大，顶部围岩变形量及塑性区面积不断减小；而随着富水砂层厚度、隔水层重度增大或地下水位上升，顶部围岩变形量及塑性区面积则不断增大；隔水层厚度和粘聚力是影响富水砂层隧道围岩稳定的关键因素。　　（2）根据富水砂层影响下地铁隧道围岩变形破坏特征，基于灰关联分析理论，以隧道拱顶沉降量为参考矩阵，分析了影响因素矩阵的灰关联差异。通过计算关联度获得了影响富水砂层隧道围岩稳定性因素的排序：隔水层粘聚力，隔水层厚度，地下水位，隔水层内摩擦角，隔水层重度，富水砂层厚度。结果表明，隔水层粘聚力和隔水层厚度是影响隧道围岩稳定性的关键因素。　　（3）基于极限分析理论，构造了富水砂层影响下隧道拱顶隔水层范围内土体破裂机制的力学模型，结合虚功率原理推导出隧道安全隔水层厚度理论公式，提出了一种安全隔水层厚度的预测方法，分析得到了不同因素对安全隔水层厚度的影响规律。其中，随着隔水层土体粘聚力、土体重度和隔水层内摩擦角的增加，隧道安全隔水层厚度逐渐减小；随着隧道支护力的逐渐增大，安全隔水层厚度呈现减小的趋势。
作者：	陈昌耀
专业：	土木工程
导师：	王洪涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022