考虑流固耦合的城市隧道施工稳定性及地表沉降分析

摘要

在城市地下工程中，隧道的施工都会不可避免地产生地面沉降、建筑物不均匀沉降等对环境的负面影响；由于周边地面建筑物和各种地下管道众多，往往对隧道施工产生的地面沉降有着严格的限制要求；因此，对地面沉降做出较为准确的预测就显得十分重要。城市隧道工程一般埋深较浅，而地层中地下水位一般非常高，因此，无论采用先降水后开挖方式还是非降水开挖方式，在对隧道施工过程中产生的地面沉降的预测分析中普遍存在着渗流场和应力场相互作用的耦合问题。对此，本文主要完成了以下研究工作： (1)从渗流连续性方程和渗流运动方程出发，阐述了饱和—非饱和流统—的渗流基本方程，将饱和区和非饱和区统一来考虑就避免了求解渗流自由面等传统的数值求解的棘手问题。在此基础上，利用Bishop提出的有效应力公式，推导了饱和—非饱和土流固耦合统一方程。 (2)采用基于总应力法的有限元分析方法，研究了超前预支护加固(包括加固区厚度、加固区弹性模量、加固部位)、开挖工法对隧道施工稳定及地表沉降的影响规律。 (3)采用基于弹塑性流固耦合理论的有限元方法，研究了前期降水中土体骨架弹性模量、土体渗透系数、降水深度、地下连续墙插入深度等因素对地表沉降及沉降差、地表沉降漏斗半径等的影响规律；同时还研究了非降水开挖中隧道周边地层的渗透系数与加固区的平均渗透系数之比值、加固区渗漏部位、地下水位上升等因素对地表最大沉降、隧道拱顶下沉、地层应力等的影响规律。 (4)对具体工程实例分别采用了基于总应力法和基于弹塑性流固耦合理论的有限元分析方法进行了计算分析，并与实测结果比较，验证了本文采用的考虑渗流的流固耦合方法在估计隧道施工中地表沉降的合理性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.2研究背景及意义

1.2影响隧道围岩稳定性的主要因素及隧道围岩稳定性主要分析方法

1.3城市隧道的主要施工支护方法

1.4隧道施工地表沉降研究现状

1.5隧道流-固耦合的研究现状

1.6本文的主要工作

第二章隧道施工力学的基本原理及弹塑性有限元方法

2.1概述

2.2浅埋暗挖法洞室施工的基本程序

2.3超前预支护等辅助施工措施的数值模拟方法

2.4洞室开挖的模拟方法

2.5开挖期及后期支护与衬砌的模拟方法

2.6弹塑性有限元方法

2.7小结

第三章隧道弹塑性流固耦合理论

3.1非饱和土中土水特征曲线

3.2饱和—非饱和渗流的基本微分方程

3.3土体流固耦合的基本方程

3.4土体流固耦合方程的特例

3.5耦合效应的模拟

3.6定解条件的描述

3.7小结

第四章基于总应力法的隧道施工稳定性及沉降的有限元分析

4.1概述

4.2超前预支护对隧道施工稳定和地表沉降的影响

4.3开挖工法对地表沉降的影响

4.4小结

第五章城市隧道施工期流固耦合问题研究

5.1概述

5.2施工降水中的地表沉降研究

5.3考虑流固耦合效应的非降水开挖隧道施工稳定性及地表沉降研究

5.4小结

第六章工程实例分析

6.1基于总应力法的工程实例分析

6.2基于流固耦合理论的工程实例分析

6.3小结

第七章结束语

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢