富水软土地层盾构隧道开挖面渗流破坏规律研究

发布时间：2020-05-10 08:57

【摘要】：地下水是城市地下工程灾害中的关键致灾因子,也是影响富水软弱地层盾构隧道开挖面稳定性的重要因素。而地层与地下水间的流-固耦合作用是贯穿上述过程的主要物理机制。针对当前理论解析、数值模拟、模型试验等方法对细观尺度流-固耦合效应考虑不足的问题,本文从地层颗粒与渗流场之间的的耦合作用出发,建立了渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏的离散元数值模型,通过对比有、无渗流条件下的开挖面失稳特性,揭示了渗流对开挖面稳定性的作用机理。进一步开展了渗流-侵蚀联合作用下的盾构隧道开挖面渗流破坏模型试验,揭示了不同级配地层渗流-侵蚀联合作用下的失稳模式及其细观机理。本文主要工作及研究成果如下:(1)离散元颗粒模型细观参数标定。基于MBD-DEM耦合方法建立了颗粒材料的虚拟直剪试验模型,在此基础上探究了颗粒材料细观参数对其宏观力学性能的影响,根据所需参数完成了对试样的标定,通过颗粒材料堆积试验验证了结果的合理性。(2)无水地层及饱水无渗流地层盾构隧道开挖面失稳破坏规律研究。建立了无水及饱水无渗流地层中盾构隧道开挖面失稳的离散元模型,并实现了对位移控制式开挖面失稳破坏过程的模拟。计算了不同埋深条件下的6组模拟工况,据此获取了开挖面失稳过程中有效支护力、地层位移、接触力网络、地层孔隙率的变化规律,明确了盾构隧道开挖面的失稳破坏模式及其阶段特性。(3)渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏规律研究。基于CFD-DEM方法建立了渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏数值模型,并根据隧道埋深及水力边界条件设置了 9组分析工况,获取了渗流作用下开面失稳过程中有效支护压力、地层变形、孔隙率等参量的变化特征,揭示了渗流场对开挖面有效支护力的加成效应及渗流对地层成拱能力的削弱作用,进一步总结了渗流对开挖面失稳破坏过程的作用效应。(4)不连续级配地层渗流-侵蚀联合作用下开挖面失稳破坏机理。根据试验需求设计了模型试验箱、盾构隧道开挖面渗流失稳装置、开挖面细颗粒流失量实时监测装置等试验设备,结合非接触式位移量测系统获取了开挖面前方地层的变形规律。在此基础上考虑了粗、细颗粒不同比例地层的失稳破坏特征,并研了隧道埋深、水位及有、无渗流条件对开挖面失稳破坏过程的作用效应。通过试验总结了渗流作用下开挖面前方失稳区的演化规律,从细观上揭示了细颗粒含量对不连续级配地层中开挖面稳定性的影响效应。
【图文】：

土压平衡盾构,典型结构

支护、土仓出土、盾尾密封、管片拼装、同步注浆及二次注浆等。其中，维持开挖逡逑面的稳定性为盾构施工的核心内容，，常用的方法是土压支护及泥水支护。城市地下逡逑工程施工中常用的土压平衡盾构典型结构如图１－２所示：逡逑图１－２邋土压平衡盾构典型结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＥＰＢ邋ｓｈｉｅｌｄ邋ｍａｃｈｉｎｅ逡逑然而，在城市地下工程建设过程中，地层条件的复杂性，城市环境的敏感性以逡逑及施工措施的不确定性的相互作用导致地下工程安全事故屡见不鲜。２００３年７月逡逑１日，上海轨道交通四号线浦东南路站至南浦大桥站越江区间隧道联络通冻结法失逡逑效导致江水倒灌，继而引发房屋、防汛墙的破坏；２００５年北京地铁十号线熊猫环逡逑岛车站施工由于污水管线渗漏造成基坑坍塌；２００８年杭州市地铁１号线湘湖站基逡逑坑坍塌导致１１辆汽车下沉陷落，并造成施工人员１７人死亡，４人失踪；２０１１年，逡逑天津市地铁２号线建国道至天津站区间盾构工程发生涌水涌砂事件，导致左右线逡逑盾构机被埋，左线隧道１１３．５ｍ，右线隧道１３３．２ｍ的管片变形破损严重；２０１８年逡逑２月，佛山地铁２号线绿岛湖至湖涌盾构区间突发透水事故，引发隧道管片变形及逡逑破坏

模型图,楔形体,模型,支护力

达到屈服强度，并通过静力平衡与力矩平衡等关系求得极限支护力。逡逑Ｈｏｍ（１９６１）［３］基于Ｊａｎｓｅｅｎ（１８９５）［４］的筒仓理论最早了提出了隧道开挖面破坏的逡逑三维楔形体模型，如图１－３所示，将破坏区简化为由下部楔形体及上部棱柱体组成逡逑的几何模。此后Ｍｕｒａｙａｍａ（１９６６）提出一种二维对数螺旋线模型，采用数螺旋线表逡逑征破坏区下部土体的滑裂面，上部松动土体的范围根据滑动面顶部宽度确定，在松逡逑动荷载的作用下，对滑动体建立力学平衡方程，求得极限支护力。逡逑卞“’．．．．．逡逑ｘｉｆｆｌｌ逦－邋＿ｒｌ逡逑Ｌｊ：Ｘ逡逑图１－３三维楔形体模型逦图１－４二维对数螺旋线模型逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋３Ｄ邋ｗｅｄｇｅ邋ｍｏｄｅｌ逦Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋２Ｄ邋ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ邋ｓｐｉｒａｌ邋ｍｏｄｅｌ逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455.43

【参考文献】