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(duì)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(duì)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(chǎng)工程實(shí)測(cè)等方法進(jìn)行了研究，包括盾構(gòu)施工的孔壓擾動(dòng)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(guò)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(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)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(duì)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(jì)算公式，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和解析解的對(duì)

3、比說(shuō)明三維流固耦合計(jì)算可更合理分析盾構(gòu)施工對(duì)孔壓的擾動(dòng)。同時(shí)，較大的超靜孔壓值對(duì)應(yīng)于較大的地表沉降，因此可將實(shí)測(cè)孔壓值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明可根據(jù)孔壓監(jiān)測(cè)值調(diào)整施工參數(shù)，最終減小地面沉降。
　　(2)針對(duì)地下水對(duì)開挖面上方土拱的影響，進(jìn)行了干砂和飽和砂的對(duì)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(guò)程;并減小了土拱發(fā)展的

4、高度，在相同的開挖面變形時(shí)，相對(duì)于干砂時(shí)地下水減小土拱高度的比例為10％-15％。同時(shí)，地表沉降的發(fā)展過(guò)程與開挖面上方土拱的形成具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，地下水的存在通過(guò)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(jì)算開挖面最小推力時(shí)的修正系數(shù)，即需對(duì)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(guò)程中地質(zhì)條件變化、刀盤循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)切割土體、停盾拼裝管片等因素對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)

5、據(jù)，指出開挖面推力是—持續(xù)波動(dòng)的力，此波動(dòng)力將在開挖面前方產(chǎn)生可累積的超靜孔壓，最終對(duì)開挖面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過(guò)建立簡(jiǎn)化的分層土分析模型，得到了開挖面前方超靜孔壓計(jì)算方法;進(jìn)而采用楔形體模型，給出了超靜孔壓對(duì)開挖面穩(wěn)定性影響的計(jì)算方法。計(jì)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(jì)算中需考慮推力波動(dòng)變化的影響。通過(guò)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(duì)開挖面穩(wěn)定性影響的計(jì)算結(jié)果。
　　(4)土體滲透

6、系數(shù)與其承載時(shí)孔隙比的變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于此給出了簡(jiǎn)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(shí)的流固耦合計(jì)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(guò)各分區(qū)半徑取值將滲流計(jì)算和力學(xué)計(jì)算之間建立起聯(lián)系，從而得到了流固耦合計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果為實(shí)際管片承載設(shè)計(jì)提供了參考。
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