盾構法隧道施工期流固耦合問題研究.pdf

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

2、目“大型跨江海盾構法隧道施工期流固耦合問題研究”，以重慶主城排水盾構隧道和成都地鐵1號線盾構區(qū)間隧道為工程背景，采用理論分析、數值模擬計算、現場測試、室內模擬試驗等多種分析方法，圍繞盾構隧道施工中的流固耦合問題和泥水盾構機的模擬試驗問題，對不同地層條件下的盾構隧道襯砌結構的施工期內力和可靠性進行了系統的研究。為彌補理論分析方法和數值計算不能處理及不可表征的因素對隧道結構物的影響問題，研制了泥水平衡式模型盾構試驗系統，作為其他研究手段的補

3、充。主要研究成果如下：
　　1、針對盾構隧道施工過程中的流固耦合問題，從巖體力學、滲流力學和彈塑性理論出發(fā)，具體推導了盾構隧道圍巖和結構的滲流場和應力場計算公式。分析了圍巖塑性理論的不同屈服準則，選擇適用于工程的Drucker-Prager準則作為解析法計算的基礎，進行圍巖和襯砌結構的內力分析。根據土體和巖體不同的力學特性，給出了其相應的滲透系數和應力之間的關系式，以此為中間橋梁，得出了按流固耦合理論計算的盾構隧道管片襯砌內力的解

4、析解。
　　2、以滲流場-應力場耦合機理為基礎，采用大型有限元軟件，針對圍巖以巖質為主的地層結構，結合高水壓條件下盾構隧道的實際工程--重慶主城排水過長江盾構隧道工程，對施工期盾構隧道圍巖及主體結構的滲流場和應力場進行了二維流固耦合分析，研究了高水壓作用下盾構隧道圍巖及主體結構的流固耦合問題，分別針對不同水壓情況下和隧道掘進過程中的工況進行了分析，探明了地下水壓對于施工期的管片結構的影響，并與現場試驗結果進行相互驗證；針對含圍巖以

5、含地下水豐富的砂卵石地層為主的成都地鐵1號線盾構區(qū)間隧道，進行了施工期流固耦合的二維和三維計算，研究了流固耦合條件下結構主體的內力分布和盾構掘進對周邊結構的影響。
　　3、提出了將有限元程序與區(qū)間解法相結合以求解隧道襯砌內力的方法，分析了單個隨機變量對隧道襯砌內力的影響水平，將各隨機變量進行參數的最不利組合，調用有限元程序來求解襯砌的內力區(qū)間值。
　　4、為了解決泥水盾構機水下掘進控制和泥水平衡機理，研制了可模擬真實地下水加

6、壓的物理模擬裝置，在此基礎上完成了流固耦合條件下功能驗證為主的泥水盾構全過程掘進模擬試驗，分析了掘進過程中盾構對地表的位移影響，得出了一些規(guī)律性的試驗結論；進行了泥膜對地層滲透性影響的基本試驗，在此基礎上，根據成都砂卵石地層參數特點配置了相似土體，采用試驗方法確定了泥漿材料，并完成了泥膜形成的模擬試驗；模擬了粉質黏土的地層配置，并進行了泥膜的成型試驗，通過上述試驗，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