水下泥水盾构隧道开挖面稳定离心模型试验研究

发布时间：2020-07-30 19:27

【摘要】：大型越江海隧道在促进城市和地区的经济与社会可持续发展方面发挥着重要作用。开挖面稳定是确保水下盾构隧道施工安全的关键环节,尤其是隧道上覆水头较高时,开挖面的稳定将更加难以控制。本文通过采用离心模型试验和三维有限差分数值模拟两种方法,对水下盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟,研究开挖面的极限泥浆支护力和开挖面失稳破坏规律,主要工作和研究成果如下:(1)研制了一套包括隧道支护体系、泥水平衡加压系统、动态监测系统在内的以隧道开挖面失稳过程为研究对象的离心模型试验装置,能够实现不同水压环境下考虑泥浆渗透成膜条件的开挖面支护模式,进行了两组隧道上覆水头高度为0.9MPa及1.2MPa工况的高水压环境下盾构开挖面渐进失稳破坏过程的离心模型试验模拟。(2)离心模型试验中布设了微型压力传感器,监测并分析不同水压情况下盾构掌子面前方土水压力分布,探明了不同水压条件下开挖面前方土压力及孔隙水压力的分布形式及其随泥浆支护压力不断减小的变化规律,揭示了盾构隧道在开挖面失稳过程中前方区域土拱效应的发展及开挖面的渐进破坏过程。(3)采用PIV(Particle Image Velocimetry)颗粒图像测速系统监控量测竖直平面内的土体位移,分析得出不同水压条件下开挖面土体渐进失稳滑移模式。(4)利用有限差分法软件FLAC3D对不同水头高度时泥水盾构隧道开挖面的稳定性能进行了三维流固耦合研究,结合离心模型试验结果对开挖面极限支护力、失稳破坏模式等进行了对比分析,同时对不同隧道埋深比以及不同水压大小的情况下隧道开挖面的稳定性能进行了研究。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.4
【图文】：

海峡隧道,贝尔

逑口，逦＾逦横通道逡逑图１－２英法海峡隧道横断面图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｅｎｇｌｉｓｈ邋ａｎｄ邋Ｆｒｅｎｃｈ邋Ｓｔｒａｉｔｓ逡逑丹麦斯多贝尔特大海峡隧道［ｌ６］：丹麦斯多贝尔特大海峡通道工程连接菲英岛逡逑与西兰岛及哥本哈根，全长１８ｋｍ，为桥隧相接方式，其中隧道长７．９ｋｍ，为铁路逡逑和公路两用。隧道位于３Ｄ地质模式区段，地质形成是由于经过冰渍和泥灰岩层逡逑状地层冰川侵蚀和冰渍、泥灰岩覆盖在石灰层所致。大海峡隧道埋深在冰渍和泥逡逑灰岩之间，隧道中心底部至下面石灰岩地层的间距不超过ｌ0ｍ，如图１－３所示。逡逑冰溃层与砂质冰渍处于互层状态（主要夹有粉砂层或砂质粘土层）。泥灰岩地层呈逡逑开裂状态，伴随出现有软弱夹层的断裂破碎地带。另外，海底地下水的氯化程度逡逑为１９００ｍｇ／Ｌ，几乎与海水相差无儿。大海峡中央１．６ｋｍ处，隧道在海平面７５ｍ逡逑下通过，该处海水深度达５５ｍ，在这个最低点，静水压力最大，而隧道覆盖层要逡逑求最小。这对盾构和横通道施工都是非常恶劣的地层。两条主隧道内径７．７ｍ，间逡逑距２５ｍ

隧道横断面,主隧道,横通道

和公路两用。隧道位于３Ｄ地质模式区段，地质形成是由于经过冰渍和泥灰岩层逡逑状地层冰川侵蚀和冰渍、泥灰岩覆盖在石灰层所致。大海峡隧道埋深在冰渍和泥逡逑灰岩之间，隧道中心底部至下面石灰岩地层的间距不超过ｌ0ｍ，如图１－３所示。逡逑冰溃层与砂质冰渍处于互层状态（主要夹有粉砂层或砂质粘土层）。泥灰岩地层呈逡逑开裂状态，伴随出现有软弱夹层的断裂破碎地带。另外，海底地下水的氯化程度逡逑为１９００ｍｇ／Ｌ，几乎与海水相差无儿。大海峡中央１．６ｋｍ处，隧道在海平面７５ｍ逡逑下通过，该处海水深度达５５ｍ，在这个最低点，静水压力最大，而隧道覆盖层要逡逑求最小。这对盾构和横通道施工都是非常恶劣的地层。两条主隧道内径７．７ｍ，间逡逑距２５ｍ，采用土压平衡盾构掘进，每间隔２５０ｍ设置一条直径４．５ｍ的横向通道。逡逑主隧道采用预制混凝土管片拼装而成，横通道采用厚１３５ｍ的球墨铸铁管片作衬逡逑砌。在主隧道与横通道接合口部，主隧道的衬砌断面要有变化，使直径４．５ｍ的逡逑横通道施工简单化

示意图,越江隧道,崇明,地质

上海上中路越江隧道【１８１：隧道全长２．８ｋｍ，外径１４．５ｍ，内径１３．２ｍ。隧道逡逑沿线地层主要为灰色淤泥质土、灰色砂质粉土、灰（绿）色粉质黏土及草黄色粉逡逑细砂，如图１－５所示。由于隧道内部较大，故建设了上下层的联络通道，两条隧逡逑道之间没有横向联络通道。逡逑｜逦邋ｒ《．．逦《一邋邋逦邋ｒ邋……－？邋ｒ邋逦（逡逑？邋？，？邋ｉ邋．．．．．．＿＿＿邋邋一、￣逦逦逦二＼邋＇？邋？邋＇．＇．＇ＡＺＺｙ逦ｊ邋？？？？■？邋ｒ邋—．邋：逦－邋￣逦．．邋．邋４逦ｓ逡逑ｉ邋Ｖｙ＊ｉ邋ｌ逦ｌ邋．．１邋一—！逦Ｉ逦ｊ逦ｉ邋＞邋Ｉ邋ｉ邋＞邋ａ邋ａ邋？邋ａｉｌ邋．ｔ逦＾邋？邋Ｉ邋１邋ｉ邋Ｉ邋＊邋＊邋＊邋ｉ邋ｉ邋ｔ邋１逦ｉ邋＊１逦ＨＩ邋１邋丨邋１＊＊１邋．Ｔ邋ｉ邋＊１邋？邋ｊ邋Ｔ＊Ｙ邋丨ＶＨｔｌｆ邋Ｔ＊￣ｆ邋Ｖｊ逦＾邋｜逦１邋＇邋｝邋１邋）逦ＩＡ邋ｉ？邋＊邋＝邋Ｉ邋＞邋ｔ邋ｔ邋＇邋ｉ邋ｒ邋＊逦＊邋？邋Ｉ邋ｉ邋＊邋ｉ邋ｉ邋？邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋丨逦．ｉ．：：，邋＊邋？邋ｔ＊ｉ邋＜邋＊邋？逡逑ＩＦｗＨｆＨＥｉｉＥｊｊｐｌｉｉＢ逡逑图１－５上海上中路越江隧道地质纵断面示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－５邋Ｓｈａｎｇｈａｉ邋Ｓｈａｎｇｚｈｏｎｇ邋Ｒｏａｄ邋Ｙｕｅｊｉａｎｇ邋Ｔｕｎｎｅｌ邋Ｇｅｏｌｏｇｙ邋Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ逡逑武汉长江隧道［１９］：隧道盾构施工段共计２５５０ｍ长，历史最高洪水位２９．７６ｍ；逡逑如图１－６所示，隧道约１０ｍ内径，隧道内横向联络通道仅在隧道两端竖井处。在逡逑江中段隧道左线最小覆土厚度为ｌ0．５ｍ

【参考文献】