高水压断层破碎带地层盾构隧道开挖面失稳破坏机理研究

With the rapid development of the tunnels constructed under the rivers and seas in China, the research on face stability of shield tunnel in fault fracture zone with high hydraulic pressure has important theoretical value and engineering application significance. In this project, laboratory scale model test, numerical simulation and limit analysis theory were used to study the face stability of shield tunnel in fault fracture zone with high hydraulic pressure. Using the developed laboratory scale model test device and numerical simulation, the distribution of seepage field near the face of shield tunnel under high hydraulic pressure, the formation process of soil arching effect and stress transfer mechanism, failure mechanism of shield tunneling face during progressive instability were revealed. A three-dimensional method for calculating the soil pressure under seepage conditions was proposed. A simplified theoretical analysis model of face stability of shield tunnel in fault fracture zone with high hydraulic pressure was established. Based on the limit analysis theory, the limit support pressure of tunnel face was obtained and compared with the results of model test and numerical simulation. Reliability analysis method was used to analyze the reliability of support pressure range of shield tunnel face in fault fracture zone with high hydraulic pressure and the results were applied to specific projects.

随着国内越江海隧道的快速发展，穿越高水压断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性的研究具有重要的理论价值和工程应用意义。本项目综合采用缩尺模型试验、数值仿真模拟及极限分析理论，对盾构隧道穿越高水压断层破碎带开挖面稳定性开展研究。研发室内缩尺模型试验装置并结合数值仿真模拟，揭示高水压渗流条件下盾构隧道开挖面附近渗流场分布规律，揭示土拱效应形成过程及应力传递机理，提出考虑渗流条件下土拱效应的三维松动土压力计算方法，揭示盾构隧道开挖面渐进失稳过程中的破坏机理；建立高水压断层破碎带地层盾构隧道开挖面稳定性简化理论分析模型，基于极限分析理论求得开挖面极限支护力并与模型试验及数值模拟结果进行对比分析；采用可靠度分析方法，进行高水压断层破碎带盾构隧道开挖面支护压力范围可靠度分析，并将结果应用于具体工程。

随着国内越江海隧道的快速发展，穿越高水压断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性的研究具有重要的理论价值和工程应用意义。项目采用数值模拟、模型试验及理论分析手段，对盾构隧道穿越高水压断层破碎带开挖面稳定性问题开展研究，主要工作和研究成果如下：.（1）采用有限元数值模拟，针对穿越断层破碎带地层隧道开挖面附近渗流场的分布规律进行了系统地研究，主要考虑地质界面两侧地层相对渗透系数和隧道开挖面处于不同位置等因素的影响，分析了开挖面附近地层渗流场空间分布规律；.（2）基于揭示的渗流场空间分布特征，对已有的隧道开挖面水头场解析公式进行了修正，拟合得到了穿越高水压断层破碎带地层隧道开挖面附近地层水平向和竖向水头理论计算公式；.（3）采用有限元数值模拟和模型试验，研究发现当开挖面趋近于断层破碎带时，极限支护压力迅速增大，其最大值约为完整岩体极限支护压力的6倍。因此，在这一阶段应严格控制隧道开挖面支护压力，避免发生涌水和突泥事故。同时分析了失稳地层位移等值线演化特征，提出失稳岩土体的边界区域（破坏模式）判别方法，基于此方法揭示了盾构隧道开挖面地层渐进失稳过程中的破坏机理。.（4）基于揭示的围岩渗流场空间分布特征和地层水头场拟合公式，以及高水压渗流诱发盾构隧道开挖面渐进失稳破坏机理和失稳模式，同时引入地质界面的影响，提出了一种由梯形体和棱柱体组成的高水压断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性分析模型。并与数值模拟结果进行了对比分析，验证提出的预测模型结果的正确性；.（5）采用高效的可靠度分析方法，进行高水压断层破碎带盾构隧道开挖面支护压力可靠度分析，并将结果应用于具体工程。