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水位波动条件下盾构隧道开挖渗流场与稳定性研究

沈华伟  
【摘要】:在我国滨海地区,隧道工程建设中经常会遇到穿江越海的情况,江底隧道可以有效缓解城市、城际交通拥堵问题,提高居民出行效率,海底隧道是重要的跨海交通基础设施之一,能极大改善沿海地区的交通和社会经济。盾构法是土质或软岩地基中水下隧道建设的主要工程方法。水下盾构隧道在建设过程中,作用于开挖掘进面的动水条件可使其周围土体的应力和孔压分布变得极为复杂,易引起开挖面的透水或失稳事故。本文针对水位波动条件下盾构隧道稳定性问题,结合杭州市庆春路过江隧道工程,通过渗流场数值计算、极限平衡法半解析分析、上限分析法半解析分析、流固耦合数值模拟等手段进行研究与进一步完善,本文的主要工作与相应结论包括:(1)采用有限元软件COMSOL Multyphysics,建模分析了水位波动条件下盾构隧道开挖面附近渗流场,研究了土体参数对开挖面前方非稳态渗流场的影响,改进了已有极限平衡分析研究中的不足,提出了一种新的渗透力计算方法。一系列数值计算结果表明:渗流场中各水力要素的波动及传播是由土体渗透系数与单位储水量的比值决定的,随着土体的渗透性降低和单位储水量的升高,楔形体中水平向渗透力Fx波动的幅值与最大值均逐渐减小,相对于边界水位波动的相位滞后现象也越发显著。在进行支护力计算时应考虑到模型不同块体内、不同方向上渗透力之间的相位差所带来的影响。(2)结合二维有限元渗流场数值计算,对水位波动条件下盾构隧道开挖面的稳定性进行极限上限分析,研究了二维、三维渗流场计算的差异,计算了水位波动条件下开挖面支护力上限解,并与已有研究中的极限平衡解进行对比。结果表明:在孔压波动的传播规律上,二维模型与三维模型展示出的规律是一致的,而在孔压响应的绝对值与各时刻孔压分布的形态上有所区别。二维模型低估了开挖面前的水平渗流影响,高估了浅部土体中的竖向渗透。非稳态渗流在二维极限分析模型与三维极限平衡模型里极限支护力计算中带来的影响程度相近。(3)在有限元软件COMSOLMultyphysics中使用流固耦合渗流控制方程对水位波动条件下盾构隧道开挖面前的渗流场进行数值计算,将所得结果与非耦合方法计算得出的渗流场进行对比,研究了两种计算方法在水力要素及其传播规律、渗透力计算中的差异。结果表明:无论是采用流固耦合还是非耦合数值计算,土体中的水头在波动及波动传播过程中遵循相同的规律。对于楔形体中的水平向渗透力,流固耦合的计算结果波动幅值更大,非耦合的计算结果与边界波动水位的滞后相位差更大。对于楔形体与棱柱体中的竖向渗透力,非耦合的计算结果波动幅值更大,两种结果没有显著的相位差。Biot系数α对流固耦合计算楔形体水平渗透力Fx有一定影响,但程度有限。


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