​盾构施工全过程地表沉降流固耦合分析

    盾构法因具有较多施工优点而被广泛应用于城市隧道建设中，但盾构开挖不可避免地影响周围土体变形，主要是盾构在不排水条件下产生的地层损失和扰动后的土体再固结。当地层变形超过一定范围时，就会危及到周围建（构）筑物和地下管线，从而产生较大的经济损失，特别是太原地质条件为富水软弱地层， 盾构施工扰动伴随流固耦合效应， 且相对缺乏施工经验，因此， 采用水土流固耦合原理分析盾构施工过程引起土体变形具有重要意义。
    本文以太原地铁南内环~双塔西街标段为工程背景，采用理论分析、理论解析、正交试验和数值模拟相结合的方法， 分析了盾构掘进参数引起地表沉降规律， 且在分析过程中充分考虑流固耦合作用的影响， 利用正交试验方法， 为太原地铁提供一套较为完善的盾构推进组合参数，同时在该参数下系统研究了盾构机施工从模型始发到钢壳完全脱出地层全过程对土体
的扰动， 提出控制地表沉降措施， 本文主要研究内容如下：

    （1） 总结了国内外盾构施工采用的研究方法，详细阐述了盾构施工引起土体变形的机理和扰动范围，推出考虑重力的非均匀注浆压力引起最大地表沉降的解析式，进而表明该因素的重要性；对现有的数值模拟因素进行完善，即考虑盾构机外壳长度、开挖面支护压力、上大下小非均匀分布的注浆压力、流固耦合作用等，建立了更加符合实际工程的计算模型，并通过与宁波某区间实测数据对比分析，证明考虑流固耦合模型的必要性和数值模拟的正确性。
    （2） 通过对影响地表沉降的因素进行规律分析，在综合考虑多种施工因素的条件下，拟合出地表沉降计算公式，采用正交试验的方法找到较优参数的组合形式，得出影响地表沉降的主要影响因子为注浆量。
    （3） 基于正交试验得到较优的组合参数，建立流固耦合模型，选取开挖环数分别为 6 环、 12 环、 18 环、 24 环和 26 环时，通过观察监测断面的位移场、应力场、渗流场和塑性区的分布情况，分析盾构推进对土体扰动影响， 以此掌握地表沉降全过程的发展规律以及证明所选参数的合理性。
关键词： 盾构隧道， 流固耦合， 全过程， 地表沉降， 正交试验， 数值模拟

本论文完整地址：http://www.docin.com/p-2243004327.html

    近年来，由于城市人口和机动车辆不断增多，城市面积逐渐扩大、城市空间以不断向上的趋势发展，由此，市民的生活和出行被交通拥堵、空间拥挤、空气质量等问题困扰。为了能够缓解城市问题、拓宽城市空间的利用率，地铁建设不断兴起。
    城市地铁施工的工法有明挖法、盾构法、浅埋暗挖法等，根据不同土体性质和隧道位置选取不同方法。明挖法适用于地面开阔、 建（构）筑物较为稀少，但对于城市街道地面交通繁忙，不利于明挖法施工，浅埋暗挖法虽然可以降低对周围环境的影响，但其适用于不含地下水的地层，对于城市地铁都是出于含水地层，如果提前进行大面积降水将会在未施工前就产生较大的地表沉降。盾构法因在施工过程中不受天气的干扰、对土体扰动小、施工人数少等优点在现代隧道建设中广泛采用。

    虽然盾构法有很多优点，但是隧道开挖不可避免会打破初始水土压力平衡状态，从而使一定范围内的土体扰动，表现为地层变形和地表沉降。地层变形的主要原因是不排水的地层损失和扰动后土体发生固结沉降和蠕变[2]。 2019 年青岛地铁 4 号线沙子口静沙区间施工段发生坍塌，造成 5 人遇难； 2018 年广东省佛山市 2 号线盾构标段右线工地突发透水，引起隧道和路面坍塌，损失金额约 5323.8 万元； 2003 年上海地铁因大量的水和流沙的进入通道，引起地表沉陷，损失经济约 1.5 亿元， 通过对事故分析，可知盾构施工引起的地表沉降原因、机理和控制措施需进一步研究。 当地层沉降值超过规范允许的最大变形值时， 导致地表的建（构）筑物开裂、倾斜和地下管线破坏，造成较大的人员伤亡和财产损失。 盾构穿过富水地层，由于地下水的影响，使土体沉降过程更为复杂，故加大盾构过程控制变形的难度。在隧道未施工之前，静止水土压力几乎保持不变，但当盾构推进会破坏原始地层应力，应力场重新分布引起土体的物理力学参数发生变化，特别是渗透系数，其变化就会影响渗流场，进而渗流力影响应力场，两场之间相互影响，产生流固耦合问题， 由此可见，富水地层的开挖所引起地表沉降和施工事故的风险大大加大。因此，复杂的盾构开挖所产生的环境问题研究很有必要

更多的优秀毕业论文请访问：http://www.docin.com/mydoc-176781054-1.html