地下水降落漏斗区地铁隧道的工程灾变机理及控制措施研究

Due to the vulnerability of the geological environment in the groundwater depression cones, the metro tunnels will face serious challenges of safety, environment and sustainable development, for example, in the Yangtze River delta. According to the metro tunnel disater problems induced by regional water level fluctuation, the micro disaster mechanism and the solid-liquid coupling effects still need further study. Consequently, based on the indoor and outdoor testing, theoretical analyzing and numerical modelling, the key contents of this project are studied as follows: 1) the basic law and mechanism of groundwater level change - static and dynamic load coupling effects on metro tunnel structures; 2) the barrier effects of metro tunnels on groundwater seepage field and the associated heterogeneous response mechanism of soil-metro tunnel system; 3) the disater control strategy and methods based on the the regulation of stress field and seepage field coupling effect. The project aims at revealing the coupling law of stress field / seepage field and the engineering disaster mechanism on metro tunnels in such special and complex geological environment. Furthermore, the 3-D soil deformation coupling predicion model, which considers soil variability and complex boundary effect of seepage field, and the long-term state evaluation method of the metro tunnel will be presented. The results of this research project will lay a firm theoretical foundation for the long-term stability of crowded mtero tunnels in such complex groundwater depression cones and have great engineering application value in practice.

以长三角为代表的地下水降落漏斗区因地质环境的日益脆弱敏感化，地铁工程将面临严峻的安全、环境和可持续发展问题。本项目针对区域性水位变动诱发城市地铁隧道工程灾变问题，从致灾的微观机制、固液耦合效应等方面展开深入研究。拟采用室内外实验、理论建模和数值仿真相结合的手段，着重研究下列关键内容：1）漏斗区水位变动-静动载荷协同作用对地铁隧道结构影响的基本规律与机制；2）地铁隧道对地下水渗流场的阻滞效应规律及地铁隧道非均匀互馈响应机制；3）基于应力场与渗流场耦合效应调控的地铁工程灾变控制策略与方法。项目旨在深入揭示此类特殊地质环境区复杂耦合环境条件下应力场、渗流场变化耦合规律及其中地铁隧道的工程灾变机理，并构建考虑土性变异及流场复杂边界效应的土体三维变形预测耦合模型及地铁隧道长期性状评价方法，研究成果将对长三角等沉降重灾区密集地铁工程的安全运营具有重要科学意义和工程应用价值。

地下水抽取诱发的沉降漏斗及其对地铁隧道等地下工程结构的影响，是近年来岩土工程领域的研究热点及难点。项目以地铁工程建设密集区域-长三角南部地区为典型研究区，采用室内外实验、理论建模和数值仿真相结合的手段，着重研究如下关键内容：1）漏斗区水位变动-静动载荷协同作用对地铁隧道结构影响的基本规律与机制；2）地铁隧道对地下水渗流场的阻滞效应规律及地铁隧道非均匀互馈响应机制；3）基于应力场与渗流场耦合效应调控的地铁工程灾变控制策略与方法。项目研究深入揭示了地下水降落漏斗区应力场、渗流场复杂耦合作用规律及其与地铁隧道的互馈机制，主要研究成果包括：1）根据地下水位变动及地层沉降发生发展规律，系统梳理了长三角南部漏斗区五种典型地下水位变动模式，并给出了基于实测数据拟合的概化表达公式及关键参数；2）通过研究区大量原位测试及抽水试验，采用孔穴扩张理论及修正的圆柱面径向渗流模型，提出了基于CPTU测试参数的长三角典型沉积土关键水文参数-渗透系数的确定方法；3）采用大型模型试验箱（2.0×2.0×1.5m）开展了地下水位变动对地铁隧道影响的模型试验，并结合考虑流固耦合的三维数值模拟，系统研究了五种典型地下水位变动模式条件下的土体和地铁隧道受力变形规律与演变趋势，阐明了水位变动模式对地铁隧道的影响规律，并给出了隧道纵横向、收敛变形以及附加轴力和弯矩等多组经验预测曲线公式；4）采用两阶段分析法，基于Mindlin解建立了工程性降水诱发地铁隧道受力变形的解析方法，并对各种影响因素进行了参数化分析；5）基于模型试验及数值分析，明确了线性地铁隧道对地下水渗流场的一种反馈响应--阻挡作用的理论分析方法及关键影响因素；6）结合工程实践，阐述地下水抽取渗流场变化对各种地下构筑物影响规律，并从止水帷幕深度等角度提出了相应的控制措施建议。研究成果将为长三角等沉降重灾区密集地铁工程的安全运营提供重要的理论依据和技术支撑。