渗流效应下富水粉砂地层盾构隧道端头开挖安全性分析

作     者：张佳华 杨小丽 蒋贤勇 张道兵 张标 

作者机构：湖南科技大学公共安全与应急管理研究院 湖南科技大学资源环境与安全工程学院 湖南科技大学土木工程学院 

出 版 物：《铁道科学与工程学报》 (Journal of Railway Science and Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52074116) 湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(23B0476) 

主　　题：盾构隧道端头 渗透力 安全系数 降水 地下水位线 

摘      要：盾构在富水地层中掘进，始发或到达前破除洞门极易造成端头地层失稳破坏。为了分析富水地层盾构隧道端头的安全性，预防坍塌灾害的发生，基于PERAZZELLI等提出的富水盾构隧道开挖面附近的水头分布经验公式，忽略横断面上的渗流影响，将复杂的三维渗流难题简化为二维渗流问题，得到了富水盾构隧道开挖面附近的二维渗流场。假定渗流过程中静水头保持恒定，引入二维渗流模型，结合极限分析上限法构建了渗流效应下富水粉砂地层盾构隧道端头坍塌破坏机制，推导了产生破坏的渗透力功率和岩体重力功率以及抵抗破坏的内能耗散率，并采用穷举算法求解了安全系数的最优上限解。研究结果表明，水头差、岩体抗剪强度指标、开挖洞径、埋深比对盾构隧道端头的安全性有显著影响，尤其是水头差，假定水头差为0，即不考虑渗流效应会明显高估盾构隧道端头的安全性。与不降水情况相比较，降水处理后盾构隧道端头地层的安全性显著提高，且处于安全状态，然安全性不再与埋深有关，而是取决于地层的抗剪强度以及开挖洞径。研究成果成功应用于长沙地铁5号线与2号线，分析了降水前后富水盾构隧道端头地层的安全性，同时也验证了其处理方案的合理性。本文方法可为今后富水地层盾构隧道端头安全性分析提供理论指导。