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原文传递地铁隧道施工扰动下夹砂土岩复合地层失稳机理研究

论文题名：	地铁隧道施工扰动下夹砂土岩复合地层失稳机理研究
关键词：	地铁隧道;施工过程;围岩失稳;夹砂土岩复合地层
摘要：	我国地铁建设的步伐不断加快，与此同时，地铁建设过程中塌方事故频发，复杂的地质条件是造成地层失稳的重要原因。青岛地铁4号线“5.27”塌方事故段为夹砂土岩复合地层，夹砂层的存在致使地质条件变得更为复杂、潜在风险性更高、塌方危害程度更大，地层条件的复杂性决定了其内在的失稳机理也完全不同于单一地层。本文以青岛夹砂土岩复合地层地铁隧道为背景，依托国家自然基金项目（批准号:51978356），对地铁隧道施工扰动下夹砂土岩复合地层失稳机理进行研究，主要研究工作及成果如下: 　　(1)根据不同夹砂层、岩层顶板厚度设计了五组模型试验，探究了夹砂层及岩层顶板厚度对于塌方历程及最终形态带来的影响。研究结果表明:夹砂层的存在具有潜在风险，一旦塌方贯穿至砂层，夹砂层越厚，地层塌方速率越快，塌方规模越大;覆岩厚度越厚，地层发生塌方的风险越小，且发生塌方的规模越小。　　(2)通过模型试验模拟了夹砂土岩复合地层地铁隧道围岩失稳的渐进破坏模式，将隧道塌方全过程划分为了四个阶段，各阶段塌方形态特征如下:初始稳定阶段只产生围岩变形，未发生塌方;岩层塌方初始阶段为拱形塌方，随着塌方发展，塌方横断面近似呈矩形;砂层塌方随破裂面开口不断增大，破裂角比砂的自然休止角略有增加;土层塌方呈现多次、连续塌方，随着不断加载，塌方不断扩展直至塌穿地面，呈现开口不断增大的塌方形态。　　(3)基于离散元软件PFC2D对夹砂土岩复合地层地铁隧道围岩失稳机理进行了研究，研究结果验证了模型试验的现象及规律。从塌方过程来看，数值模拟基本符合模型试验的过程:岩层出现塌方-砂层扩展变宽-土层形成稳定塌落拱;从塌方形态来看，最终塌方形态的跨度及高度与模型试验保持基本一致;从塌方特征来看，数值模拟与模型试验具有相似的规律性，随岩层厚度增加，塌方高度与宽度随之减小，随砂层厚度增加，塌方高度与与宽度随之增大。　　(4)借助离散元软件PFC2D实现了对围岩失稳过程的力学特性分析。1）不平衡力分析界定了塌方过程历经四个阶段:初始平衡状态、岩（砂）层塌方阶段、土层塌方阶段以及最终平衡状态。2）围岩应力分析反映了拱顶及拱腰水平、竖向应力的变化规律。从拱顶上部应力变化曲线看出，随着围岩失稳破坏，塌方边界处最大主应力方向从竖向逐渐转化为水平，揭示了塌落拱存在的应力形式;从拱腰一侧应力变化曲线看出，离隧道水平位置越远，竖向应力值越小，水平应力值越大，距离超过2/3D(D为隧道直径)，开挖对应力的影响可忽略不计。3）接触力链分析反映出围岩的成拱效应。塌方边界处的接触力更大，当接触力的大小超过围岩的粘结强度，达到围岩失稳的条件。　　(5)结合本文的研究成果，分析了青岛地铁4号线塌方事故发生的机理，并提出了预防及治理措施，研究成果可为夹砂土岩复合地层中隧道的设计、施工提供一定的借鉴和参考意义。
作者：	李创
专业：	建筑与土木工程
导师：	陈立平;张素磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2022