流固耦合作用下北京朝阳区富水地层隧道施工的力学效应研究

作     者：杨子奇 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：葛克水

授予年度：2017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] 

主      题：PBA工法 CRD工法 FLAC3D 数值模拟 流固耦合 

摘      要：地铁隧道的出现很好的缓解了城市交通的压力,但是由于地下空间的大规模开发,地铁隧道不可避免的要穿越一些高水位的富水软弱地层区域。在这种情况下,地下渗流会对隧道施工造成极大的影响,例如:加大土层和周边建筑的固结沉降量、造成地表的不均匀沉降和围岩的不均匀变形等。然而,为了简化计算过程,目前在研究隧道施工时常选择忽略地下水的影响,因此该方向的研究还不成熟。本文以北京市朝阳区CRD法开挖的地下通道和PBA法开挖的地铁车站为背景,研究了地下水-围岩-隧道支护结构三者的流固耦合效应(FSI)和力学效应,主要工作与研究内容如下所示:(1)简要阐述饱和土的渗流理论,并基于渗流连续性方程和比奥(Biot)固结理论推导土体三维渗流场和应力场耦合的微分方程。(2)对暗挖隧道地表沉降、拱顶变形、洞壁收敛、初支压力及洞内渗水情况等数据进行收集与筛选,选择适合于计算、分析的典型断面。(3)简要介绍显式有限差分元软件FLAC中关于渗流与应力耦合的数值表达方式。运用FLAC流固耦合计算模式模拟两个隧道的施工过程,分别在考虑与不考虑流固耦合的情况下建立数值模型,计算不同导洞施工顺序的情况下CRD和PBA隧道地表沉降和围岩及支护结构的变形与受力情况,对比不同情况下位移场、应力场和渗流场变化过程,得出地下水对于隧道开挖造成的影响。(4)对比分析朝阳六里屯地下通道施工监测数据,验证数值模拟的合理性,并评价隧道施工的安全性,得出的结果可为后续施工提供指导和借鉴。(5)运用得到的研究经验,对同地区的朝阳公园地铁站展开研究,探究在洞桩法施工的条件下,地下水对不同导洞施工顺序造成的影响。