富水地层隧道盾构开挖及运营过程土体稳定性研究

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以穿越富水砂土地层的南昌地铁为研究背景,通过建立流固耦合模型,模拟盾构开挖动态推进全过程,研究了南昌地区双线隧道盾构法开挖的合理净距;建立轨道—隧道—土体整体系统有限元模型,从时域和频域两个角度,分析了地铁列车在不同运营速度下产生的振动响应变化规律。主要研究内容与成果如下:(1)从流体力学、岩体力学等相关理论知识出发,总结了地下水渗流基本概念以及渗流基本方程,为后续研究富水地层盾构隧道开挖时流固耦合问题提供理论支撑。(2)利用MIDAS GTS NX有限元软件建立两平行隧道净距为3m、6m、9m、12m、15m、18m、21m、24m、27m、30m的盾构隧道模型,探讨了流固耦合作用下不同净距开挖引起的水平位移、地表沉降、应力及塑性区的变化规律,根据其突变点确定安全合理的隧道开挖净距。研究结果表明:从盾构隧道开挖产生的地层位移结果可知,两隧道净距以18m左右为宜;根据隧道盾构开挖时水平和竖向总应力变化趋势,在设计双线隧道开挖时其净距应大于1.0B(L>6m);根据开挖净距的改变对隧道周围土体Von-Mises应力的影响可知,两隧道净距以12m左右为宜;从隧道开挖塑性区分布可知,两隧道之间的开挖净距以18m较为合理。综合多角度分析结论,考虑节约地下空间和可持续发展情况下,最终计算出净距L=18m为地铁隧道盾构开挖的合理净距值。(3)通过对比在考虑和未考虑流固耦合作用下,隧道盾构掘进后土体位移与应力的变化,得出地下水对富水隧道土体位移与应力的影响程度。研究结果表明:隧道开挖前,水位上方土体的孔隙水压力始终为0,孔隙水压力自上向下呈线性递增分布。隧道开挖后,导致地下水向隧道内流动,孔隙水压力场由初始的水平层状分布逐步变为漏斗状分布,离开挖面越近孔隙水压力的变化越显著。未考虑流固耦合条件下,盾构隧道开挖产生地层位移变化较小,而考虑耦合条件下,盾构开挖引起的地层位移越来越大,影响范围也越来越广,渗流场对富水地层隧道土体的位移和应力的影响程度较大。(4)建立轨道—隧道—土体整体系统有限元模型,主要从时域和频域两个角度,分析了地铁列车在50km/h、80km/h和120km/h运行速度下产生的竖向振动变化规律。研究结论有:随着列车前进速度的增加,同一测点的竖向加速度峰值也会随之增加;列车前进速度不变,随着隧道底部测点深度的增加,各测点竖向振动加速度峰值逐渐减小,振动频率峰值也逐渐减小;列车引起的振动主要是以低频为主,列车行进速度越快,振动频率峰值也就越大。
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