盾構(gòu)隧道施工環(huán)境適應(yīng)性的流固耦合分析.pdf

1、盾構(gòu)在水位下地層中的施工參數(shù)與環(huán)境適應(yīng)性問題是城市地鐵施工中的難點(diǎn)問題，由于地下水導(dǎo)致的開挖面坍塌、地表沉降、管片破裂等工程問題經(jīng)常發(fā)生。針對此問題的相關(guān)研究理論往往將應(yīng)力分析和滲流分析單獨(dú)進(jìn)行，兩者相結(jié)合的流固耦合研究工作較少，而土體中超靜孔壓的產(chǎn)生和消散均與此密切相關(guān)。因此，本文基于流固耦合理論，針對盾構(gòu)隧道的施工參數(shù)環(huán)境適應(yīng)性問題，采用理論解析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場工程實(shí)測等方法進(jìn)行了研究，包括盾構(gòu)施工的孔壓擾動規(guī)律、開挖面

2、穩(wěn)定性以及管片承載規(guī)律等方面。通過研究得到了如下結(jié)論:
　　(1)結(jié)合上海虹橋迎賓三路隧道工程，采用所編制的ABAQUS輔助分析程序，建立了包括各種盾構(gòu)施工參數(shù)影響的三維流固耦合分析模型，并將不同施工參數(shù)情況下超靜孔壓計算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的合理性。之后分析了開挖面推力、注漿壓力、開挖速度、開挖面水頭、隧道埋深以及土體滲透系數(shù)等參數(shù)對隧道周圍最大超靜孔壓的影響，獲得了最大超靜孔壓擬合計算公式，與現(xiàn)場實(shí)測和解析解的對

3、比說明三維流固耦合計算可更合理分析盾構(gòu)施工對孔壓的擾動。同時，較大的超靜孔壓值對應(yīng)于較大的地表沉降，因此可將實(shí)測孔壓值與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，從而進(jìn)行施工參數(shù)的調(diào)整。在上海虹橋迎賓三路隧道工程試驗(yàn)段的施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明可根據(jù)孔壓監(jiān)測值調(diào)整施工參數(shù)，最終減小地面沉降。
　　(2)針對地下水對開挖面上方土拱的影響，進(jìn)行了干砂和飽和砂的對比模型試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示地下水的存在，減緩了土拱隨開挖面變形的形成過程;并減小了土拱發(fā)展的

4、高度，在相同的開挖面變形時，相對于干砂時地下水減小土拱高度的比例為10％-15％。同時，地表沉降的發(fā)展過程與開挖面上方土拱的形成具有對應(yīng)關(guān)系，地下水的存在通過降低土拱發(fā)展高度最終減小了地面沉降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合楔形體模型提出了計算開挖面最小推力時的修正系數(shù)，即需對上方棱柱體受到的側(cè)土壓力系數(shù)進(jìn)行修正。
　　(3)盾構(gòu)施工過程中地質(zhì)條件變化、刀盤循環(huán)轉(zhuǎn)動切割土體、停盾拼裝管片等因素對開挖面推力值的穩(wěn)定性將產(chǎn)生影響，因此結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)

5、據(jù)，指出開挖面推力是—持續(xù)波動的力，此波動力將在開挖面前方產(chǎn)生可累積的超靜孔壓，最終對開挖面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過建立簡化的分層土分析模型，得到了開挖面前方超靜孔壓計算方法;進(jìn)而采用楔形體模型，給出了超靜孔壓對開挖面穩(wěn)定性影響的計算方法。計算結(jié)果顯示超靜孔壓將顯著降低開挖面的穩(wěn)定性，因此在開挖面支護(hù)力的計算中需考慮推力波動變化的影響。通過參數(shù)分析給出了不同情況下產(chǎn)生的超靜孔壓大小以及對開挖面穩(wěn)定性影響的計算結(jié)果。
　　(4)土體滲透

6、系數(shù)與其承載時孔隙比的變化存在對應(yīng)關(guān)系，基于此給出了簡化的分段孔隙比～滲透系數(shù)關(guān)系曲線，用于管片整體滲透時的流固耦合計算。首先建立了包括管片和土體的流固耦合分析模型，包括滲流模型和力學(xué)模型;力學(xué)模型中土體分為彈性區(qū)和塑性區(qū)，其中彈性區(qū)根據(jù)孔隙比—滲透系數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)一步分區(qū)，從而考慮土體滲透系數(shù)變化的影響。通過各分區(qū)半徑取值將滲流計算和力學(xué)計算之間建立起聯(lián)系，從而得到了流固耦合計算方法。計算結(jié)果為實(shí)際管片承載設(shè)計提供了參考。
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