盾構(gòu)法隧道施工期流固耦合問題研究.pdf

1、盾構(gòu)法修建隧道一般都與地下水密切相關(guān)，其位置大都處于江河湖海水底復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，盾構(gòu)隧道穿越的地層既有砂質(zhì)等軟弱地層，也有較硬的裂隙巖體，不論何種地層，都將遇到盾構(gòu)隧道施工過程中的流固耦合問題。在盾構(gòu)隧道工程中，荷載的取值是設(shè)計(jì)和施工中關(guān)鍵參數(shù)，圍巖和地下水兩者耦合問題，會(huì)帶來荷載的分布特征發(fā)生很大改變，因此，在含地下水的盾構(gòu)隧道研究中，施工期的流固耦合問題是一個(gè)復(fù)雜而重要的課題。
　　論文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)

2、目“大型跨江海盾構(gòu)法隧道施工期流固耦合問題研究”，以重慶主城排水盾構(gòu)隧道和成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)模擬試驗(yàn)等多種分析方法，圍繞盾構(gòu)隧道施工中的流固耦合問題和泥水盾構(gòu)機(jī)的模擬試驗(yàn)問題，對(duì)不同地層條件下的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的施工期內(nèi)力和可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為彌補(bǔ)理論分析方法和數(shù)值計(jì)算不能處理及不可表征的因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)物的影響問題，研制了泥水平衡式模型盾構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)，作為其他研究手段的補(bǔ)

3、充。主要研究成果如下：
　　1、針對(duì)盾構(gòu)隧道施工過程中的流固耦合問題，從巖體力學(xué)、滲流力學(xué)和彈塑性理論出發(fā)，具體推導(dǎo)了盾構(gòu)隧道圍巖和結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算公式。分析了圍巖塑性理論的不同屈服準(zhǔn)則，選擇適用于工程的Drucker-Prager準(zhǔn)則作為解析法計(jì)算的基礎(chǔ)，進(jìn)行圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。根據(jù)土體和巖體不同的力學(xué)特性，給出了其相應(yīng)的滲透系數(shù)和應(yīng)力之間的關(guān)系式，以此為中間橋梁，得出了按流固耦合理論計(jì)算的盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)力的解

4、析解。
　　2、以滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合機(jī)理為基礎(chǔ)，采用大型有限元軟件，針對(duì)圍巖以巖質(zhì)為主的地層結(jié)構(gòu)，結(jié)合高水壓條件下盾構(gòu)隧道的實(shí)際工程--重慶主城排水過長(zhǎng)江盾構(gòu)隧道工程，對(duì)施工期盾構(gòu)隧道圍巖及主體結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了二維流固耦合分析，研究了高水壓作用下盾構(gòu)隧道圍巖及主體結(jié)構(gòu)的流固耦合問題，分別針對(duì)不同水壓情況下和隧道掘進(jìn)過程中的工況進(jìn)行了分析，探明了地下水壓對(duì)于施工期的管片結(jié)構(gòu)的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證；針對(duì)含圍巖以

5、含地下水豐富的砂卵石地層為主的成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道，進(jìn)行了施工期流固耦合的二維和三維計(jì)算，研究了流固耦合條件下結(jié)構(gòu)主體的內(nèi)力分布和盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響。
　　3、提出了將有限元程序與區(qū)間解法相結(jié)合以求解隧道襯砌內(nèi)力的方法，分析了單個(gè)隨機(jī)變量對(duì)隧道襯砌內(nèi)力的影響水平，將各隨機(jī)變量進(jìn)行參數(shù)的最不利組合，調(diào)用有限元程序來求解襯砌的內(nèi)力區(qū)間值。
　　4、為了解決泥水盾構(gòu)機(jī)水下掘進(jìn)控制和泥水平衡機(jī)理，研制了可模擬真實(shí)地下水加

6、壓的物理模擬裝置，在此基礎(chǔ)上完成了流固耦合條件下功能驗(yàn)證為主的泥水盾構(gòu)全過程掘進(jìn)模擬試驗(yàn)，分析了掘進(jìn)過程中盾構(gòu)對(duì)地表的位移影響，得出了一些規(guī)律性的試驗(yàn)結(jié)論；進(jìn)行了泥膜對(duì)地層滲透性影響的基本試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)成都砂卵石地層參數(shù)特點(diǎn)配置了相似土體，采用試驗(yàn)方法確定了泥漿材料，并完成了泥膜形成的模擬試驗(yàn)；模擬了粉質(zhì)黏土的地層配置，并進(jìn)行了泥膜的成型試驗(yàn)，通過上述試驗(yàn)，明確了不同地層中泥膜的形態(tài)。
　　隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，盾構(gòu)