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原文传递跨海盾构隧道穿越断层破碎带失稳机理与预加固方法研究

论文题名：	跨海盾构隧道穿越断层破碎带失稳机理与预加固方法研究
关键词：	盾构隧道;断层破碎带;力学机制;损伤演化;数值模拟
摘要：	现如今，我国海洋地下工程的快速建设将极大的推动经济的发展，尤其是跨江和跨海隧道的建设不仅带动区域间的经济交流，而且也维护了我国的海洋利益。但海洋环境下地下工程的建设将不可避免的穿越一些不良地质。断层破碎带是海底隧道工程中常见的不良地层，因其围岩松散、强度低、自稳能力差的特点将严重影响跨海隧道工程的安全性和稳定性。因此，对于高水压条件下跨海隧道穿越断层破碎带时的力学机制、损伤演化和预加固措施的研究具有非常重要的意义。　　本文以深圳地铁12号线左炮台站至太子湾站跨海盾构隧道段为研究背景，利用ABAQUS建立了精细化三维模型，对跨海盾构隧道穿越断层破碎带时的变形机制、损伤演化规律和预加固措施进行研究。本文主要的研究内容和成果如下: 　　(1)通过阅读大量的文献，总结了断层破碎带的形成原因和对实际工程的破坏形式，说明了隧道施工前后围岩的应力状态变化并总结了影响围岩稳定性的主要影响因素。　　(2)采用ABAQUS数值模拟软件建立了精细化三维数值模型，该模型考虑了注浆压力、顶推力、注浆时效硬化和围岩的应力释放等，这将最大限度的重现盾构隧道施工过程。将数值计算结果与EinsteinandSchwanz隧道支护系统的解析解进行可靠性分析;根据Sakurai提出的隧道的三种危险警告等级与数值结果进行对比，Sakurai解析解得到隧道的极限位移约为2.79cm，数值结果显示隧道进入断层后发生了较大变形，衬砌变形位置与断层的倾斜角度相关，断层面附近的衬砌由于断层的滑动极易发生剪切和扭转破坏，断层中间位置的隧道的变形量最大。　　(3)研究了高水压条件下跨海盾构隧道穿越不同宽度W、倾角Dip、倾向β、不同参数(密度队弹性模量E、内摩擦角妒)的断层破碎带时的力学机制、拉压和剪切损伤分布，其次分析了隧道径厚比(加对隧道稳定性的影响。结果表明，当断层宽度增加到一定程度时，断层中间位置处衬砌因变形过大将与围岩脱离，造成拱项的应力先增大后减小。随着断层倾角的增大，衬砌拱顶的沉降变化趋势为先减小后增大，拱底的位移趋势大致为“沉降-隆起-沉降-隆起-沉降”5个阶段。隧道穿越不同倾向的断层时，拱顶的沉降差异性很小，但左拱侧均发生了凹陷而右拱侧均发生了隆起。随着断层倾向的不断增大，左拱侧凹陷范围和右拱侧隆起范围逐渐变小，衬砌剪切损伤的范围和最大值随着断层倾向的不断增加而减小。随着隧道径厚比的增加，拱底沉降逐渐增加，径厚比为15.5的隧道变形最小。隧道穿越断层破碎带时，断层的弹性模量变化的影响要大于密度的影响，内摩擦角的影响性最小。　　(4)基于以上研究，模拟了海面垂直注浆、管棚法、径向注浆三种预加固措施，并建立了详细的三维数值模型，分析了三种不同预加固措施的有效性。管棚法和海面垂直注浆法能够有效的抑制断层的滑动，但单排管棚依然无法保证隧道的稳定性，需要采取二排甚至三排管棚，而径向注浆法的效果并不是很明显。
作者：	郑扬
专业：	建筑与土木工程
导师：	武科;蒋宇静
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022