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原文传递富水地层地铁隧道涌水涌沙诱发地面沉降机理研究

论文题名：	富水地层地铁隧道涌水涌沙诱发地面沉降机理研究
关键词：	地铁隧道;富水地层;涌水涌沙;地面沉降;预测模型;黏土层塌陷;临界判据
摘要：	目前我国城市地下轨道交通建设正处于蓬勃发展时期，截至2021年底，现有51个城市开通了269条地铁线，运营总里程达8708km。城市地铁建设过程中经常遭遇涌水涌沙灾害并诱发地表沉降甚至大范围塌陷，导致道路损坏、建筑物破坏，造成重大经济损失和人员伤亡，给人民的生产生活造成严重影响。因此，开展富水地层地铁隧道涌水涌沙诱发地面沉降机理研究，具有重要理论价值和工程意义。　　本文采用案例统计、室内模型试验、数值模拟和理论研究相结合的综合研究方法，研究富水地层地铁隧道涌水涌沙诱发地面沉降的发生机理及其发展过程。剖析总结国内外地面塌陷事故案例，提出地铁隧道涌水涌沙灾变特征、致灾结构及其灾变模式。采用大型物理模型试验和CFD-DEM耦合模拟方法，探讨涌水涌沙诱发地面沉降的灾害灾变演化过程，揭示位移场和渗流场的演化规律，分析不同主控因素对地面沉降的影响，建立涌水涌沙量和地面沉降量的相关关系。基于统一强度理论，推导涌水涌沙诱发上覆黏土层塌陷破坏的临界条件，并提出地面沉降预测方法。研究取得以下主要成果和认识：　　（1）通过对国内外地铁隧道涌水涌沙诱发地面塌陷灾害案例统计分析，地面塌陷灾害主要由涌水涌沙和漏水漏沙引起，占78%，且50%事故所处地层为沙层。归纳提出含水沙层（降雨诱导型、降水失效型、阻水结构破坏型）、不良地质（直接揭露型、阻水结构破坏型）和人工管道（漏水集聚型、管线爆裂型）三类七型致灾构造，并将土体失稳灾变模式划分为整体滑移失稳、整体破断失稳和渗透失稳三种类型。　　（2）自主研制地下水渗流作用下隧道大型模型试验系统，其包括钢化槽箱体、开挖掘进系统、智能加压给水控制系统、光纤数据采集系统等。以青岛黄岛区地铁隧道涌水涌沙为工程背景，通过模型试验再现涌水涌沙诱发地面沉降全过程。试验表明地表变形与涌水涌沙具有很好的相关性，且地表变形一般滞后于涌水涌沙过程，地表变形将经历缓慢变形、急剧变形、地面坍塌三个阶段，渗压、土压都有先增大后降低的变化特征。　　（3）提出地铁隧道涌水涌沙诱发地面沉降的CFD-DEM数值模拟方法，采用地层损失率评价土体流失程度。地表变形范围随地层损失率的增大不断增加，地表变形过程可划分为渗流引起的土体沉降阶段、松散区的扩展阶段和地面成槽三个阶段，且在地面成槽阶段，地表位移曲线存在明显的拐点，土体具有显著失稳特征。涌沙量先急剧增加，然后逐渐下降，最后趋于稳定。涌水量增长率先增大后趋于稳定。另外，水压越大，土体流失速度越快，地表成槽所需时间越小。断层倾角越小，流体对颗粒的拖曳力越小，土体流失速度越小，位移增长速度也越小。　　（4）揭示富水地层漏水漏沙诱发地面沉降机理，获得漏点宽度、含水沙层内水压、黏土层厚度对地面沉降的影响规律。随着漏水漏沙灾害的发生，地表各测点的位移均发生响应，距隧道掌子面中心较近的测点，其位移增长速度不断增加，直至土体塌陷。上覆黏土层越厚，土体流失形成的空洞向上发展的速度逐渐降低，地面成槽速度降低，地表位移沉降值减小。随着水压、漏点宽度增加，漏沙速率明显加快，地表成槽速度增加。　　（5）建立涌水涌沙过程中上覆黏土层塌陷破坏的力学模型，基于统一强度理论，推导了涌水涌沙诱发上覆黏土层塌陷破坏临界判据。采用室内试验研究黏土体厚度、土体强度和空洞直径对黏土层塌陷的影响规律，并验证理论分析的准确性。最后，基于随机介质理论和椭圆理论提出涌水涌沙过程中地表最大沉降值的理论预测公式。
作者：	陈帆
专业：	岩土工程
导师：	王迎超
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022