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原文传递盾构隧道施工环境适应性的流固耦合分析

论文题名：	盾构隧道施工环境适应性的流固耦合分析
关键词：	盾构隧道;流固耦合;孔压扰动;开挖面稳定;管片荷载;施工环境;适应性
摘要：	盾构在水位下地层中的施工参数与环境适应性问题是城市地铁施工中的难点问题，由于地下水导致的开挖面坍塌、地表沉降、管片破裂等工程问题经常发生。针对此问题的相关研究理论往往将应力分析和渗流分析单独进行，两者相结合的流固耦合研究工作较少，而土体中超静孔压的产生和消散均与此密切相关。因此，本文基于流固耦合理论，针对盾构隧道的施工参数环境适应性问题，采用理论解析、数值模拟、模型试验以及现场工程实测等方法进行了研究，包括盾构施工的孔压扰动规律、开挖面稳定性以及管片承载规律等方面。通过研究得到了如下结论: 　　(1)结合上海虹桥迎宾三路隧道工程，采用所编制的ABAQUS辅助分析程序，建立了包括各种盾构施工参数影响的三维流固耦合分析模型，并将不同施工参数情况下超静孔压计算结果与实测值进行了对比，验证了模型的合理性。之后分析了开挖面推力、注浆压力、开挖速度、开挖面水头、隧道埋深以及土体渗透系数等参数对隧道周围最大超静孔压的影响，获得了最大超静孔压拟合计算公式，与现场实测和解析解的对比说明三维流固耦合计算可更合理分析盾构施工对孔压的扰动。同时，较大的超静孔压值对应于较大的地表沉降，因此可将实测孔压值与数值计算结果进行对比，从而进行施工参数的调整。在上海虹桥迎宾三路隧道工程试验段的施工过程中，现场监测数据表明可根据孔压监测值调整施工参数，最终减小地面沉降。　　(2)针对地下水对开挖面上方土拱的影响，进行了干砂和饱和砂的对比模型试验。实验结果显示地下水的存在，减缓了土拱随开挖面变形的形成过程;并减小了土拱发展的高度，在相同的开挖面变形时，相对于干砂时地下水减小土拱高度的比例为10％-15％。同时，地表沉降的发展过程与开挖面上方土拱的形成具有对应关系，地下水的存在通过降低土拱发展高度最终减小了地面沉降。根据实验结果结合楔形体模型提出了计算开挖面最小推力时的修正系数，即需对上方棱柱体受到的侧土压力系数进行修正。　　(3)盾构施工过程中地质条件变化、刀盘循环转动切割土体、停盾拼装管片等因素对开挖面推力值的稳定性将产生影响，因此结合现场监测数据，指出开挖面推力是—持续波动的力，此波动力将在开挖面前方产生可累积的超静孔压，最终对开挖面稳定性产生影响。通过建立简化的分层土分析模型，得到了开挖面前方超静孔压计算方法;进而采用楔形体模型，给出了超静孔压对开挖面稳定性影响的计算方法。计算结果显示超静孔压将显著降低开挖面的稳定性，因此在开挖面支护力的计算中需考虑推力波动变化的影响。通过参数分析给出了不同情况下产生的超静孔压大小以及对开挖面稳定性影响的计算结果。　　(4)土体渗透系数与其承载时孔隙比的变化存在对应关系，基于此给出了简化的分段孔隙比～渗透系数关系曲线，用于管片整体渗透时的流固耦合计算。首先建立了包括管片和土体的流固耦合分析模型，包括渗流模型和力学模型;力学模型中土体分为弹性区和塑性区，其中弹性区根据孔隙比—渗透系数关系曲线进一步分区，从而考虑土体渗透系数变化的影响。通过各分区半径取值将渗流计算和力学计算之间建立起联系，从而得到了流固耦合计算方法。计算结果为实际管片承载设计提供了参考。　　(5)建立了经过模型实验验证的管片局部漏水漏泥数值计算模型，进而分析了管片在复合地层情况下的承载特性。计算结果显示在复合地层情况时，管片漏水将使附近土层产生显著的不均匀沉降变形，从而增大管片内力;当隧道断面区域有渗透系数较大的砂土夹层时，管片漏水将使管片内力大幅增大。根据数值计算结果给出了不同复合地层情况下，管片不同位置发生漏水漏泥时的内力提高系数，为管片配筋设计和地铁长期运营维护提供了指导。
作者：	宋锦虎
专业：	岩土工程
导师：	缪林昌
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文