大型泥水盾构近距离穿越运营地铁的扰动位移特性及施工风险研究

论文摘要

盾构法隧道历经180余年的发展,迄今世界各国建造了数以千计的各种类型、各种直径的盾构,我国上海、北京、广州、深圳等地成功建设了各种大型盾构,盾构施工技术水平不断提高。当随着国内外地铁等地下管网建设的迅速发展、城市地下空间开发利用模的不断扩大,盾构法施工在不断普及和高速发展的同时不断向大深度、急曲线、长距离、大直径的趋势发展。同时,近距离穿越已建地下结构情况日益增多。尤其新建隧道将不可避免面临近距离穿越运营地铁等复杂技术难题和施工风险的挑战。本研究围绕大型泥水盾构隧道近距离穿越运营地铁的关键技术与理论问题,通过室内试验、数值模拟、现场试验、原位监测及理论分析,系统研究了同步注浆浆液的物理力学性质及其对盾构施工扰动位移的影响、近距离穿越施工过程土体位移特性及施工因素的影响作用、地铁运营时列车动载条件下振动位移增量场的数值解法、近距离施工扰动状态下已建地铁隧道稳定性等。取得了相应有创新意义和工程实用价值的研究成果:(1)通过室内试验,系统研究水泥品种、水玻璃模数及其配比对盾构同步注浆浆液物理力学特性的影响。研究显示:i)高标号水泥双液浆强度和弹性模量随水玻璃模数及其配比的提高而增大;而低标号水泥双液浆强度和弹性模量对应于水玻璃配比存在一个“最佳值”;ii)低标号水泥、模数2.8水玻璃材料配制的双液浆渗透性强且固化时间长,对及时充填盾构外部空隙、减少土体损失以及减少注浆量不利。成果对盾构施工同步注浆浆液用水泥标号、水玻璃模数、材料配比等参数选择有实用指导意义。(2)考虑盾构管片结构特点及其加工精度的影响,采用接触力学理论建立了隧道结构实际有效厚度的计算方法。结果表明:管片实际有效承载厚度与极限加工误差成负指数关系;隧道结构实际总体刚度减少将对土体位移场、结构变形等产生不利影响。(3)通过合理控制盾构切口水压、同步注浆压力等施工参数可达到控制土体损失率从而有效控制在建隧道及已建隧道的变形及位移目的:i)对近邻隧道结构位移而言,土体损失率存在“最佳值”,当土体损失率大于该值时,隧道结构产生沉降,且竖向位移逐渐增大;当土体损失率小于该临界值,隧道结构将产生“上浮”。合理控制施工参数,将土体损失率控制在“最佳值”左右一定范围内即可有效控制周边隧道结构竖向位移,满足管线保护的要求。ii)隧道下行穿越施工过程中,无论土体损失率大小,上部已建隧道顶板沉降峰值均大于其底板沉降峰值,即施工扰动区域内已建隧道断面不同程度上呈“椭圆化”。iii)穿越施工过程中,上部隧道管环结构将不同程度承受拉应力,容易到成管环接缝渗漏或局部破坏。(4)针对隧道近距离穿越运营地铁时列车振动荷载与穿越施工相互影响的复杂性及其求解难度,在充分考虑系统结构特点的基础上依据力学作用效果等效原则,建立了适用于工程实际的耦合动力分析模型及分段求解方法,采用自主研发的车桥耦合数值分析软件结合ANSYS通用软件分析系统相结合方法,研究已有地铁线路运行的振动对于近距离隧道施工的动态影响。结果表明:当上部隧道正常运行状态下进行隧道下行穿越施工时,由于地铁列车振动荷载作用下穿隧道及运营地铁隧道都将产生较大的竖向振动响应位移增量。成果为西藏南路隧道施工现场采用,有效地避免了工程技术风险、确保了工程安全。(5)通过数值模拟与现场试验进一步系统深化了开挖卸载(初始土体损失率)、孔隙水压、工作面切口压力、同步注浆压力等综合因素对盾构隧道开挖扰动位移场的影响。总结出:i)同步注浆压力(注浆量)直接影响土体分层沉降(靠近盾构注浆孔区域尤为显著)及径向水平位移,而对土体轴向水平位移的影响甚微。ii)盾构工作面前方土体位移主要受切口压力支配,当切口压力小于土体压力时,工作面前方土体处于主动土压力状态从而产生向切口方向的卸载位移,土体产生与盾构推进方向相反的位移;当切口压力等于土体压力时,工作面前方土体处于静止土压力状态从而产生轻微的“顶推”位移;切口压力大于土体压力时,工作面前方土体位移进一步增大,位移方向与盾构推进方向相同。总体上,工作面前方土体位移表现出对切口压力的高度敏感性及依存性。进一步完善了该方面的理论成果。(6)进一步明确了竖平面内位移场呈非对称分布规律。即:无论同步注浆压力大小,隧道底板土体均不同程度地显示出“上浮”位移模式,即隧道底板位移具有不可逆的“上浮”特性;而隧道顶板土体的隆沉则与同步注浆压力紧密相关:当同步注浆压力P≤Ps时,顶板土体产生沉降位移;当同步注浆压力P≥Ps时,顶板土体将产生“上浮”位移。成果进一步充实了盾构施工扰动位移场理论。综上所述,本研究进一步深化与完善了大型泥水盾构近距离穿越运营地铁相关技术及理论体系。部分成果被上海世博配套工程西藏南路隧道建设工程应用,取得了良好技术经济效益和社会效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 盾构法背景
• 1.2 近距离隧道研究现状
• 1.2.1 近距离隧道的判断
• 1.2.2 近距离施工对周围土体的影响
• 1.2.3 近距离隧道施工对已建隧道的影响
• 1.2.4 近距离隧道相关理论
• 1.3 近距离施工数值模拟研究现状
• 1.3.1 国内外隧道施工中的数值模拟
• 1.3.2 近距离隧道施工过程的数值模拟特点
• 1.4 盾构施工过程研究现状
• 1.4.1 盾构施工过程对周围土体扰动现场监测的研究现状
• 1.4.2 盾构施工对周围土体扰动理论分析的研究现状
• 1.4.3 盾构施工过程对周围土体扰动模型试验的研究现状
• 1.5 研究对象及依托的工程背景
• 1.6 研究内容及论文结构
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 论文结构
• 第二章 研究背景
• 2.1 软土盾构近距离穿越施工概要
• 2.2 研究依托的工程背景
• 2.2.1 工程概况
• 2.2.2 工程地质概况
• 2.3 穿越段技术要求
• 2.4 技术关键及难点
• 2.4.1 技术关键
• 2.4.2 技术及理论难点
• 第三章 同步注浆对扰动位移的影响及其作用机理
• 3.1 概述
• 3.1.1 同步注浆的目的和要求
• 3.1.2 水玻璃类双液型浆液
• 3.1.3 水玻璃类双液型浆液研究内容和方法
• 3.2 普通硅酸盐水泥+水玻璃类双浆液
• 3.2.1 浆液的配置
• 3.2.2 浆液的粘度
• 3.2.3 浆液的凝结时间
• 3.3 复合水泥+水玻璃类双浆液
• 3.3.1 浆液的配置
• 3.3.2 浆液的粘度
• 3.3.3 浆液的凝结时间
• 3.3.4 浆液的凝结时间的测定结果
• 3.4 强度及变形性质试验
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 实验方案及试验过程
• 3.4.3 试验结果与分析
• 3.5 结论
• 第四章 近距离穿越施工过程三维数值模拟与施工参数优化
• 4.1 工程背景及地质概况
• 4.1.1 工程概况
• 4.1.2 工程地质概况
• 4.1.3 穿越段技术要求
• 4.2 M8 线非运营状态下穿越施工FEM 模拟
• 4.2.1 施工过程及结构特点
• 4.2.2 力学模型及数值方法概要
• 4.2.3 开挖过程模拟
• 4.2.4 基于3DFEM 数值计算结果的穿越施工动态位移场及参数优化分析
• 4.3 M8 线加固必要性模拟分析
• 4.3.1 几何关系
• 4.3.2 物理关系
• 4.3.3 考虑静力平衡
• 4.3.4 M8 线加固前后结构竖向位移比较
• 4.3.5 M8 线加固前后结构应力分布比较
• 第五章 列车荷载作用下位移增量的数值解法及附加风险
• 5.1 概述
• 5.2 M8 线轨道结构及其合理数值模型
• 5.3 系统动力方程及其数值解
• 5.3.1 系统动力方程
• 5.3.2 数值方法概要
• 5.4 施工过程模拟
• 5.5 计算结果与穿越风险分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 施工参数的原位试验优化
• 6.1 原位试验方案
• 6.1.1 监测点的布置及埋设
• 6.1.2 监测内容
• 6.1.3 监测时间及频率
• 6.1.4 监测采用的仪器
• 6.2 土体分层沉降
• 6.3 土体分层水平位移监测结果
• 6.3.1 横向水平位移实测结果与分析
• 6.3.2 轴向水平位移实测结果与分析
• 6.3.3 轴向水平位移分布成因FEM 模拟分析
• 第七章 穿越施工过程土体位移特性原位监测研究
• 7.1 监测方案概要
• 7.1.1 监测点的布置及埋设
• 7.1.2 监测内容
• 7.1.3 监测时间及频率
• 7.1.4 监测采用的仪器
• 7.2 土体分层沉降监测结果
• 7.2.1 盾构推进过程中M8 线正上方土体分层沉降分析
• 7.2.2 盾构推进过程中M8 线侧面土体分层沉降分析
• 7.2.3 施工参数对分层沉降影响的力学机理及控制
• 7.3 深层土体水平位移原位监测与分析
• 7.3.1 垂直盾构推进方向土体水平位移
• 7.3.2 盾构推进方向土体水平位移
• 第八章 近距离穿越施工因素对已建隧道结构变形的影响
• 8.1 穿越过程概述
• 8.2 沉降数据分析
• 8.2.1 M8 线沉降特征
• 8.2.2 沉降随时间变化规律
• 8.3 施工参数的影响分析
• 8.3.1 切口水压
• 8.3.2 注浆
• 8.3.3 泥水性能
• 8.3.4 推进速度
• 8.4 工程中遇到的问题
• 8.4.1 盾构掘削量
• 8.4.2 盾尾密封
• 8.4.3 配管
• 8.5 结论
• 第九章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果