潮汐作用下越江盾构隧道长期上浮机制及控制方法

Shield tunnels under-crossing the rivers in coastal area commonly suffered from long-term floating with longitudinal structural deformation and groundwater leakage. The triggering mechanism on this phenomenon remains unclear yet. In this proposal, the behavior of the river-crossing tunnels under the tidal conditions will be investigated, with emphasis on the interaction between stiffness reduction of overlying soils, structural deformation, and groundwater leakage under cyclic water pressure. For this purpose, the methods such as laboratory test, theoretical analysis, numerical simulation, and empirical analyses will be employed, i) to investigate the stiffness reduction and strain accumulation behavior under cyclic pore water pressure, and propose an empirical equation of accumulative plastic strain for tunnel deformation analysis; ii) to investigate the development of joint deformation and waterproofness of gasket, and propose numerical simulation method for localized groundwater leakage; iii) to establish a FEM model of soil-tunnel-joint leakage, and investigate the floating mechanism and its influential factors. The research results will provide scientific basis and theoretical support to guide the design of river-crossing tunnels based on the deformation and waterproof control instead of the current stability-based design method. It is of great theoretical significance to guarantee the safety and durability of river-crossing shield tunnels

沿海越江盾构隧道在长期运营过程中普遍存在持续上浮的现象，导致纵向结构变形和渗漏水，其发生机理尚不明确。本研究以潮汐影响下的越江盾构隧道为研究对象，拟探明低频动水循环下上覆土体弱化、隧道结构变形、接缝渗漏水三者演变和互馈机制。综合运用室内试验、经验分析、理论分析、数值模拟等技术手段，①揭示循环孔隙水压力下饱和粉土的刚度弱化和变形累积特性，提出基于累积塑性应变经验公式的隧道上浮分析方法；②探讨隧道上浮后接缝变形和密封垫防水性能演化规律，提出考虑局部接缝防水性能动态变化的数值实现方法；③建立潮汐作用下土体-隧道-接缝渗漏水的全耦合数值分析模型，揭示隧道结构上浮持续变形机制和影响因素，进而提出控制变形的隧道设计方法。预期研究成果可以突破越江隧道设计仅考虑上浮稳定性的瓶颈，为基于变形和防水控制的设计理论提供科学依据，对保证越江隧道安全性和耐久性具有重要的理论指导意义。

针对潮汐环境下越江盾构隧道长期上浮变形的现象，以低频动水循环作用下隧道-土相互作用为出发点，构建了土体双屈服面渐进硬化本构模型，探明河床土体在低频循环动孔压下的变形特性，形成动水循环下河床、隧道结构及接缝密封垫变形的全耦合分析方法，揭示越江盾构隧道在长期低频动水循环下的结构上浮变形机理，提出控制保护措施。主要创新结果如下：. 1）提出了适用于黏土和砂土的双屈服面渐进硬化本构模型，即在修正剑桥模型的基础上，采用内屈服面渐进硬化机制实现当前应力点从加载屈服面到外屈服面过程中塑性模型的光滑转变，建立统一的状态参数。针对天然黏土的循环特性，加入非线性小应变和弹性各向异性的概念以及结构损伤硬化法则，同时在加载屈服面的硬化法则中增加循环累积速率控制参数，实现天然黏土在循环荷载下闭合的滞回特性、循环安定和破坏特性。. 2）通过建立管片接缝处密封垫流固耦合数值模型，分析密封垫在压缩后渗流时的动态过程及接触应力发展规律，获得不同变形模式下条件下密封垫防水性能弱化规律。为克服三维模型局部渗漏实体单元网格划分的困难，提出了考虑非线性渗透性的自定义渗漏单元。. 3）基于土体双屈服面渐进硬化本构模型，构建潮汐荷载下隧道-河床分析模型。发现在潮汐荷载作用下，黏土地层不同深度孔压呈现周期性变化，并呈现一定的残余孔隙水压力的累积。地层应变呈现回弹变形，相应的隧道产生上浮变形，并伴随着竖鸭蛋形式的横向收敛变形。砂土地层潮汐荷载作用下隧道变形以瞬时为主，没有明显随时间的增加而增长的趋势。不同潮差对隧道上浮变形无显著差异。上浮量随埋深增加呈指数衰减。动水循环作用下隧道为“卸荷”模式，隧道渗漏水以顶部渗水为主要路径，渗漏水提供了超孔隙水压力消散路径，隧道上浮量有所减小。. 研究成果为隧道结构上浮变形控制和保护提供科学的依据，不仅在沿海越江隧道具有广泛的应用前景，对跨海隧道等类似水下工程的建设和保护同样具有积极的借鉴意义。