盾构施工引起地表和土层形变的有限元分析与试验研究

论文摘要

本文以广州地铁二、八号线延长线为工程背景,通过现场试验和有限元分析相结合的方法来研究地铁施工对地表和土层的扰动影响,并对造成这种扰动影响的各种因素进行分析从而研究各种因素的作用。试验部分采用水平测斜仪和分层沉降仪分别测量地表、土层的横向水平位移和竖向沉降位移。本文采用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟,综合考虑了土体非线性、土体与衬砌作用、注浆压力、和支护压力等主要因素建立力学模型,利用有限元方法对盾构隧道动态开挖过程进行模拟。本文研究了盾构法施工引起地表和不同土层不同方向上变形的规律,研究盾构施工过程中周围土体变形的不同变化规律。本文研究表明,支护压力、注浆压力、以及刚度折减时选择的系数等因素对结果影响较大。通过对已开挖地段的分析,本文对前方未开挖地段展开预测,结果位移控制效果非常理想。考虑隧道上方有带浅基础的建筑物时,本文以等效荷载来模拟建筑物,分析了此时地表的变形,同时还研究了浅基础不同尺寸的影响。当邻近有建筑物时,本文研究了建筑物处于不同位置时的影响;本文还研究了平行隧道同向间隔一定距离开挖时土体的变化特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外的研究状况
• 1.2.1 传统方法的研究
• 1.2.2 数值方法的研究
• 1.3 本文的研究思路及主要内容
• 第二章 隧道开挖基本理论及盾构法
• 2.1 隧道开挖基本理论
• 2.1.1 隧道开挖机理分析
• 2.1.2 卸载效应
• 2.1.3 解除约束效应
• 2.1.4 开挖效应
• 2.2 盾构法简介
• 2.2.1 盾构法的发展
• 2.2.2 盾构机
• 2.2.3 盾构法施工工艺
• 2.2.4 盾构法优缺点
• 2.3 盾构开挖效应
• 2.3.1 隧道盾构掘进对土体应力状态的影响
• 2.3.2 盾构施工对土体应变和位移的影响
• 2.3.3 地表纵向沉降表现形式和沉降机理
• 2.3.4 地表横向沉降表现形式和沉降机理
• 第三章 有限元模拟分析
• 3.1 工程状况
• 3.1.1 地面条件与地貌特征
• 3.1.2 区域地质特征
• 3.1.3 水文条件
• 3.1.4 土、石可挖性分级及围岩分类
• 3.2 盾构施工现场试验
• 3.2.1 试验仪器简介
• 3.2.2 试验方案
• 3.3 有限元分析要素
• 3.3.1 土的模型
• 3.3.2 盾构开挖和支护的模拟
• 3.3.3 初始应力场
• 3.4 有限元模型
• 3.5 有限元分析
• 3.5.1 模型参数相关影响的研究
• 3.5.2 地表和土层位移变化规律的研究
• 3.5.3 不同埋深的影响
• 3.5.4 前方土体开挖的预测和控制
• 3.5.5 隧道开挖对轴线上方浅基础的影响
• 3.5.6 隧道开挖对邻近浅基础的影响
• 3.5.7 平行隧道开挖的影响
• 3.5.8 有限元分析可靠性研究
• 第四章 总结与展望
• 4.1 结论
• 4.2 进一步研究方向
• 参考文献
• 参加科研情况说明
• 致谢