富水砂层隧道掌子面稳定性控制关键技术

This research will carry out an investigation of engineering accidents of tunnel in water-rich sand stratum at first; then a finite difference model of fluid-solid coupling will be built to research the effect of water infiltration on the stability of tunnel face in stratum with different permeability coefficient under different water pressure. After that, several group of soil test will be developed to study the effect of the moisture content on the mechanical parameters of sand stratum. Afterwards, finite difference numerical models and discrete event unit models will be built to study the deformation of tunnel face coupled with indicators of the theory of NITM, the basic mechanical theory of tunnel and the Mohr-coulomb strength theory by different tunneling methods. The preceding reinforcing measures and its effect will be developed based on the results of stability evaluation of tunnel face. Finally, results of three-dimensional modeling tests and the field monitoring measurement data will be used to verify the theoretical results.

研究首先针对富水砂层中修建的隧道发生的各类涌砂塌方事故展开调查，分析事故原因，总结塌方规律。然后采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型，结合掌子面稳定的两个参数：掌子面挤出变形和极限约束压力，分析在不同水位压力和不同渗透系数条件下水的渗流对隧道掌子面稳定性的影响；接着开展多组土工试验，配置不同含水率的砂层进行直剪实验，得到粘聚力和内摩擦角两个强度参数，分析砂层含水率对砂层力学参数的影响，并将得到的强度参数输入到三维数值模型中进行力学计算，研究含水率对掌子面稳定性的影响，同时采用PFC3D软件建立颗粒离散元模型，综合采用新意法理论、摩尔库伦准则等理论及其指标，分析不同工法下，隧道掌子面变形规律特征，对掌子面稳定性进行评价，在评价结果的基础上，对隧道超前核心土体采取加固措施并评估加固效果。最后，进行三维模型试验，分析现场监控量测数据，对理论分析和数值计算结果进行验证，并得到最终结论。

隧道掌子面失稳将极大地危及施工人员和机械设备的安全。相关的研究问题包括掌子面稳定性评价和支护参数的设计。实际工程中，影响掌子面稳定性的因素往往频繁变化，因此，以极限分析、数值计算、模型实验为代表的传统方法在解决这类问题时的时效性和简易性方面不足。本研究针对这些问题，提出了八种方法，为设计和施工提供借鉴，主要内容包括：.1.采用全面实验设计采集实验样本并通过强度折减计算标定。构建基于朴素贝叶斯的分类器。通过比较新样本稳定和不稳定后验概率的大小进行预测。.2. 对于不确定性问题，通过蒙特卡洛采集一系列的样本，将每一个样本采用朴素贝叶斯分类器进行预测，根据采集样本中不稳定预测的数量得到失效概率。.3.采用正交实验设计方法采集样本并标定。构建基于支持向量机的分类模型用于新样本的预测。采取集体学习机制降低预测误差。对于掌子面不稳定的情况，通过微幅调整隧道直径，逼近决策函数的临界值，得到台阶法最大开挖高度。.4. 将蒙特卡洛和支持向量机分类器结合，并引入k-临近值法选择训练样本，构建基于未知样本的自适应决策边界，提高失效概率估算精度。.5.将二分法和强度折减法结合，在确定的迭代区间内调整掌子面支护压力，直到其对应的强度折减系数逼近为零，从而得到极限支护压力。.6. 采用极限分析和荷载乘子，在掌子面塌方方向施加单位荷载，求得其临界状态的荷载乘子，根据单位荷载与荷载乘子的乘机确定极限支护压力。.7.将响应面嵌入二分法，在确定的迭代区间内调整支护压力，并计算其对应的可靠度指标，直到其与预设可靠度指标之差小于规定值。.8.提出一种定义掌子面安全系数的公式，并通过极限分析和强度折减计算近似确定其中的两个变量，在输入任意支护压力时，即可通过公式计算安全系数，从而求解功能函数并得到可靠度指标。在确定的迭代区间内调整支护压力直到满足收敛条件。.提出的方法可为富水砂层等软弱围岩中的隧道掌子面稳定性快速评价和支护压力设计提供借鉴。