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考虑渗流的盾构隧道掘进面失稳分析

高健  
【摘要】: 盾构法隧道施工技术在世界许多国家不断得到发展,己成为近年来城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法,但在推广与应用上出现了大量施工技术方面的事故。其中,由地下水渗流引起的掘进面失稳、塌陷、喷涌、渗漏水等工程事故更是频繁发生。这些事故的发生,影响整个工程的工期,还造成了极大的经济损失和不必要的人员伤亡。在盾构法隧道工程应用较多的国家如英国、日本、德国等,其关于掘进面稳定相关理论研究已经取得不少成果,对施工中由于地下水渗流引起的掘进面失稳的分析方法及理论也在不断发展。与之相比,国内对隧道掘进面失稳和破坏机理研究仍然处于过分依赖工程经验阶段,对复杂地质条件下盾构隧道掘进面稳定机理的研究相对滞后。为此,在国家科技部设立的的关于隧道盾构施工工程的973项目中的第一子课题便是关于盾构掘进面的稳定性研究。本文特别针对渗流引起的掘进面失稳进行研究,主要研究内容如下: 1.将边坡稳定分析的垂直条分法引入到隧道掘进面稳定性分析中,扩展太沙基松动土压力理论到上覆土层为多层并富含地下水的地质条件,推导了考虑地下水渗流时盾构穿越高地下水位地层隧道掘进面支护压力解析表达式,并用于实际盾构隧道施工的模拟。研究发现,地下水流动引起的渗透力构成了总支护压力的主要部分,随着地下水位的升高,渗透力在总支护压力中的比值呈升高趋势; 2.泥水盾构是地铁施工中较多采用的盾构类型,本文对泥膜形成及泥浆渗透对泥水盾构隧道掘进面稳定性影响等前沿课题进行了研究,建立了半承压含水层中过量孔隙水压力分布表达式,推导了泥浆渗透的楔形体模型,改进和完善泥水盾构支护压力确定方法。研究结果发现,过量孔隙水压力的产生将导致有效泥水压力的降低和极限支护压力的显著增加; 3.“超前注浆管棚支护技术”被广泛应用于复杂恶劣地质条件下的盾构施工中,国内施工对注浆管棚条件下掘进面稳定机理认识尚不足。本文使用有限差分数值计算程序计算实施超前注浆管棚支护的隧道掘进面附近水头分布,结合土体极限平衡理论分析了超前注浆管棚对隧道掘进面稳定性的影响。研究发现,采用超前注浆管棚支护技术,开挖面土体失稳后掘进面附近处于塑性区的单元不再急剧扩张,地表沉降得到有效的控制;注浆管棚的长度与隧道直径相关,当管棚长度大于隧道直径2倍以上,注浆管棚的支护效果不明显; 4.工程监测数据显示,当隧道在低渗透性土壤中以较高的速度开挖时,盾构掘进速度对隧道掘进面水头分布影响明显。目前,对盾构隧道掘进面稳定性分析均未将盾构掘进速度这一重要因素考虑在内,导致低渗透性土壤中以较高速度开挖的盾构掘进面支护压力计算结果存在较大误差。本文基于固定在隧道掘进面上参照坐标系,推导了考虑隧道开挖速度、土体的渗透系数以及土体贮水系数的稳态地下水流动偏微分方程,通过伽辽金有限元法推导考虑盾构掘进速度的三维稳态渗流有限元方程,编写计算程序TME计算地下水参数和盾构掘进速度的变化对隧道掘进面附近水头场改变的影响。结果发现,低渗透性土层中,盾构掘进速度的增加将导致掘进面附近总水头等值线重新分布,水头下降趋势更加明显,作用在隧道掘进面渗透力显著增加。


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