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原文传递地震作用下海底盾构隧道穿越断层破碎带掌子面失稳机理研究

论文题名：	地震作用下海底盾构隧道穿越断层破碎带掌子面失稳机理研究
关键词：	海底盾构隧道;穿越断层破碎带;掌子面稳定性;地震作用;失稳机理
摘要：	海底隧道施工具有海洋地质勘察难度高，地层与海水水力联系密切，不良地质较发育等技术难点。而盾构法具有极其优越的表现，但在施工中也会出现突水、塌陷等事故，主要是由于掌子面失稳破坏。在水文工程地质条件更为复杂的海底盾构隧道，一旦掌子面发生失稳，就会产生地层沉降，甚至造成工程长期或永久停工。本文以青岛胶州湾第二海底隧道为工程背景，结合理论分析、数值模拟和数据挖掘等方法，对地震作用下海底盾构隧道穿越断层破碎带掌子面失稳机理开展了系统研究。主要研究内容及结论如下: 　　(1)从地层压力拱效应的角度分析了隧道深浅埋分界对盾构隧道掌子面破坏模式的影响。将非关联流动法则引入到滑移线理论中，构建了适用的深埋和浅埋条件的海底盾构隧道掌子面失稳滑移模型。通过极限分析上限定理，提出一个运动许可的速度场，随后考虑渗透力作用，得到了掌子面极限支护力的理论计算公式，为海底盾构隧道掌子面稳定性研究提供理论依据。　　(2)通过流固耦合和动力计算的数值模拟研究了不同因素对掌子面失稳破坏演化规律的影响。其中，随着上覆承载地层厚度的增大，掌子面位移呈现先减小后增加的趋势，其中压力拱效应发挥了重要作用。粘聚力和内摩擦角的增加会使掌子面位移减小，且都呈现非线性关系，其中粘聚力变化曲线与e-x曲线相似。海水深度和隧道洞径的增加会引起掌子面位移的增大。与无地震工况相比，地震作用导致上覆地层竖向位移剧变，且掌子面位移与地震加速度峰值呈现近似线性关系。　　(3)基于MATLAB进行了理论计算模型的程序编写和快速计算，对理论计算结果和数值模拟结果进行了对比验证，进一步地，从趋势分析角度讨论了两者在不同因素影响下的变化规律。理论计算结果与数值模拟结果相比较，误差在可接受范围内，从极限分析上限理论考虑偏向于安全，而且两者在不同因素水平下的变化趋势和规律一致。另外，研究表明地震作用主要通过影响粘聚力和内摩擦角参数来使地层围岩的强度和稳定性降低，并运用强度折减法，引入非等比例系数和基值概念，求得了折减系数。　　(4)通过灰色关联度分析方法，对压力拱高度的影响因素进行了参数敏感度分析，表明四个因素皆与压力拱高度的相关性较大，且海水深度因素最为敏感。基于正交试验设计，建立了压力拱高度与四个影响因素的数据集，并进行多元非线性回归分析，完全二次项模型的可决系数R2为0.979，能够较好地反映压力拱高度与各因素之间的定量关系。最后综合本研究内容，开发了海底盾构隧道掌子面稳定性分析系统的可视化软件，实现对实际施工的指导。
作者：	张贯达
专业：	岩土工程
导师：	薛翊国;邱道宏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022