渗流效应下富水粉砂地层盾构隧道端头开挖安全性分析

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,基于前人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,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。

渗流条件下圆锥形冻结壁温度场数值分析

为得到盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构在渗流条件下的温度场的变化规律,文中运用COMSOL有限元数值模拟软件建立三维瞬态水热耦合模型,通过设置模型两侧边界水头差和2条观测路径对圆锥形冻结壁的发展、封闭性等变化情况进行研究,结果表明越靠近圆锥形锥部区域的冻结壁厚度越小,且随着水头差的增大,冻结壁朝渗流方向偏移程度越大,整体冻结壁厚度减小;路径1中最接近冻结管的5#点在冻结8d冻结壁交圈,其他点越靠近冻结管降温越快;路径2中靠近圆锥形锥部的6#点与底部的10#点在冻结20d前后降温速率出现较大变化,所得结果可为类似冻结工程设计提供参考。