影响泥水平衡盾构施工中变形的因素分析及其对既有隧道影响的分析

论文摘要

泥水平衡盾构隧道施工中对地层变形影响的主要因素包括:(1)开挖面泥水压力的设定;(2)盾构掘进中的姿态控制;(3)壁后注浆的方法与注浆量控制。本研究针对上海市延安东路复线隧道及西藏南路越江隧道中大型泥水盾构施工的实际情况,分析了盾构开挖面泥水压力的设定、盾构姿态控制及同步注浆对变形的影响。另外,大型泥水盾构在施工中有时会不可避免地近距离接近既有地铁隧道。因此,对既有地铁隧道的变形进行预测并提出保护措施是非常重要的,本研究另一方面是针对西藏南路越江隧道近距离下穿地铁8号线(M8)引起的变形进行分析研究。本文的主要研究成果如下:(1)引入了泥水平衡盾构开挖面“泥水压力比”的概念及其控制值。泥水压力比(μ)定义为开挖面实际泥水压力与按照静止水土压力加预压计算所得的泥水压力之比;针对西藏南路越江隧道近距离下穿既有小直径地铁8号线隧道的工程情况,建立了三维有限元模型,分析了泥水压力比与地铁隧道稳定性的关系。结果表明,盾构开挖面泥水压力在静止水土压力附件变化时(μ=1.0),对既有隧道的影响较小;而当泥水压力减小到极限泥水压力附近时(μ=0.65),泥水压力的变化对既有地铁隧道变形有着显著的影响。因此,在实际工程中,建议泥水压力比μ应控制在0.7~1.0的范围内为宜。(2)引入“地层损失与补偿”的概念分析了盾构姿态控制与壁后注浆对地面变形的贡献。盾构隧道施工中在盾构机与管片之间存在盾尾间隙,盾构掘进中的方向变化与姿态控制调整会引起超挖,从而使得实际挖掘体积比理论值大,这些间隙与超挖构成“地层损失”。在实际工程中,地层损失是通过壁后注浆来补偿的。本研究利用上海延安东路复线隧道现场实际数据,归纳总结了盾构姿态控制对地层损失的贡献,建立了姿态控制引起地层损失的定量关系。归纳总结了壁后注浆对地层损失的补偿作用及注浆方法与注浆量控制的规律。(3)建立了三维有限元模型,在模型中用地层损失这一参数综合考虑了盾构开挖面稳定、盾构姿态控制及壁后注浆等因素,对西藏南路大直径泥水盾构隧道下穿既有地铁隧道的变形影响进行了分析。计算结果表明:(a)西藏南路左线越江隧道施工引起的地面沉降和既有地铁M8线沉降最大值基本随地层损失率呈线性增长,当地层损失率为0.5%、1.0%和1.5%时,地面沉降最大值分别为8.1mm、16.4mm和28.6mm,M8线最大沉降量分别为6.5mm、15.3mm和26.1mm;(b)当左右线越江隧道地层损失率均为0.5%、1.0%和1.5%时,地面沉降最大值分别为8.7mm、20.1mm和35.8mm,M8线最大沉降量分别为8.8mm、24.4mm和42.8mm。根据上海市运营地铁隧道保护标准,运营地铁结构设施容许位移绝对值小于等于20mm。因此,需将左右越江隧道地层损失率均控制在0.852%以内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 盾构法施工引起土体变形的研究现状
• 1.2.1 盾构法施工原理
• 1.2.2 盾构法施工引起土体变形分析
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.3 盾构隧道近距离施工的现状
• 1.3.1 盾构隧道近距离施工的类型
• 1.3.2 隧道近距离施工近距离程度的判断
• 1.3.3 国内外研究现状
• 1.4 壁后注浆施工影响的研究现状
• 1.5 研究对象及依托的工程背景
• 1.6 主要研究内容及创新点
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 主要创新点
• 第二章 分析的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 地层损失概念及分析方法
• 2.2.1 地层损失的概念
• 2.2.2 盾构法引起地层移动的工程分析法
• 2.3 有限元法的基本理论
• 2.3.1 有限元法简介
• 2.3.2 有限元法基本步骤
• 2.4 土体的本构模型——Mohr-Coulomb 模型
• 2.4.1 土体的理想弹塑性性状
• 2.4.2 Mohr-Coulomb 模型的表示
• 2.4.3 Mohr-Coulomb 模型的基本参数
• 2.5 小结
• 第三章 近距离隧道施工中盾构支护压力影响规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 泥水盾构工作原理及泥水压力的设定
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 泥水压力的设定
• 3.3 西藏南路越江隧道概述
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 工程地质条件
• 3.3.3 工程施工难点
• 3.4 近距离隧道施工三维有限元模型的建立
• 3.4.1 模型范围及初始条件
• 3.4.2 边界条件及计算参数
• 3.4.3 计算内容
• 3.5 根据静止土压设定泥水压力时隧道变形分析
• 3.5.1 左线越江隧道推进的影响分析
• 3.5.2 右线越江隧道推进的影响分析
• 3.6 开挖面极限支护压力分析
• 3.7 小结
• 第四章 盾构姿态控制及壁后注浆的影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 施工中的盾构姿态控制
• 4.2.1 盾构隧道轴线偏移及其原因
• 4.2.2 盾构姿态偏差的调整
• 4.3 壁后注浆技术研究
• 4.3.1 壁后注浆的作用原理
• 4.3.2 壁后注浆的分类
• 4.3.3 壁后注浆材料
• 4.3.4 壁后注浆施工工艺
• 4.4 壁后注浆指标
• 4.4.1 注浆压力
• 4.4.2 注浆量
• 4.5 壁后注浆常见问题
• 4.5.1 地表沉隆超限
• 4.5.2 管片上浮
• 4.5.3 盾尾窜浆
• 4.5.4 管路堵塞及管片渗漏
• 4.6 工程实例
• 4.6.1 工程概况
• 4.6.2 盾构姿态影响分析
• 4.6.3 注浆技术措施
• 4.6.4 注浆影响分析
• 4.7 小结
• 第五章 近距离隧道施工的变形与受力影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.2.1 模型建立
• 5.2.2 计算内容
• 5.3 左线越江隧道施工的影响分析
• 5.3.1 左线越江隧道施工对地面沉降的影响
• 5.3.2 左线越江隧道施工对M8 线的影响
• 5.4 右线越江隧道施工的影响分析
• 5.4.1 右线越江隧道施工对地面沉降的影响
• 5.4.2 右线越江隧道施工对M8 线的影响
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 申请专利