盾构隧道壁后注浆探测图像识别及沉降控制研究

论文摘要

采用盾构法在软土层中建造隧道，会引起地层移动而导致不同程度的地面和隧道沉降。盾尾空隙压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不适当，使得盾尾处周边土体向盾尾空隙移动是引起地层损失的主要原因，因此如何在注浆施工期间及时准确的了解注浆分布就变得尤为关键了。论文以此为背景，提出利用探地雷达对盾构隧道壁后注浆进行无损探测，并且开展了一系列室内测定和现场试验、完成了探地雷达电磁波在壁后介质中传播的模拟及注浆分布对隧道、地表沉降影响的有限元分析。主要研究内容及取得的成果如下： 利用同轴探头法和网络分析仪对隧道壁后可能填充的注浆材料进行介电常数测定，得到了注浆材料在不同探测频率下、不同含水量和不同龄期时的介电常数值。在探地雷达探测常用的探测频率(100MHz～1GHz)内，浆液材料介电常数对探测频率具有明显的频散特性，两者符合指数关系。 通过室内注浆分布模拟试验，从注浆材料分布形态的差异，不同的探测时间以及可能存在的盾尾空隙等几个主要方面进行分析，总结出不同注浆形态在探地雷达时程剖面图中的成像规则。在数据处理上，利用二阶DB小波多尺度分析抑制噪声，准确的得到目标体的反射特征图像。 在上述注浆模拟试验的基础上，结合基于时域有限差分法原理的GPR数据二维正演方法对隧道壁后注浆体的分布形态进行准确的识别。 根据探地雷达电磁波在介质中传播的特性不同，即介质界面反射在浆液层发生极性翻转的特点，以此作为注浆层目标识别的依据，编写了基于MATLAB的小波神经网络的探地雷达对隧道壁后注浆层自动识别程序，并在多个隧道工程探测结果中进行应用，均得到了较好的效果。 以上海地铁盾构区间隧道为研究对象，通过三维有限元程序(MARC)对隧道壁后的注浆施工对隧道和地表沉降变形的影响进行了研究。着重分析了施工过程中注浆压力对隧道结构和地层变形的影响；注浆量与地层损失量之间的关系；注浆材料在凝固期间，弹性模量改变对隧道沉降变形的影响；并且对注浆层在纵向上分布出现的超注浆和欠注浆分别进行三维有限元计算。此外，以上海市轨道交通9号线盾构隧道工程为背景，通过现场实测、有限元数值模拟分析比较了注浆分布状态引起的地表沉降曲线，研究表明沉降结果基本吻合，注浆分

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 盾构在软土中掘进引起的环境问题
• 1.1.2 盾构隧道纵向不均匀沉降问题
• 1.1.3 盾尾注浆的目的以及施工中存在的问题
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外对盾构隧道沉降方面的理论研究现状
• 1.2.2 隧道壁后注浆探地雷达无损探测的国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的主要创新点
• 参考文献
• 第2章 盾构隧道壁后注浆材料及土体的介电常数测定
• 2.1 探地雷达在隧道壁后注浆探测中波速的求取
• 2.2 隧道壁后注浆材料的介电常数
• 2.2.1 介电常数的定义
• 2.2.2 介电常数测定方法及国内外研究现状
• 2.2.3 介电常数在隧道壁后注浆无损探测中的作用
• 2.3 盾构隧道壁后注浆材料的介电常数测定
• 2.3.1 注浆材料介电常数微波测定原理
• 2.3.2 注浆材料介电常数的测定
• 2.4 介电常数试验结果分析
• 2.4.1 惰性浆液材料介电常数测定结果分析
• 2.4.2 双液浆材料介电常数测定结果分析
• 2.4.3 双液浆材料介电常数与养护龄期之间关系
• 2.4.4 双液浆材料介电常数试验结果与宽角法反算结果对比
• 2.5 土样介电常数测定结果分析
• 2.6 注浆材料介电常数变化过程对测定结果影响分析
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第3章 盾构隧道壁后注浆无损探测模拟试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 盾构隧道壁后注浆体的探地雷达探测模拟试验
• 3.2.1 盾构隧道管片壁后注浆探测模拟试验方法
• 3.2.2 注浆浆液材料组成及配比
• 3.2.3 试验方案
• 3.3 试验数据及图像处理
• 3.4 试验结果分析
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第4章 隧道壁后注浆分布形态的探地雷达正演数值模拟分析
• 4.1 探地雷达正演数值模拟分析概述
• 4.1.1 探地雷达正演数值模拟发展历史
• 4.1.2 时域有限差分法的优点
• 4.2 时域有限差分法（FDTD）正演原理
• 4.2.1 时域有限差分法的基本方程
• 4.2.2 时域有限差分法的吸收边界条件
• 4.3 探地雷达时域有限差分法模拟分析
• 4.3.1 盾构隧道壁后注浆探地雷达FDTD数值模拟框架
• 4.3.2 隧道壁后注浆纵向分布数值模拟
• 4.3.3 隧道壁后注浆环向分布数值模拟
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第5章 盾构隧道壁后注浆无损探测结果的图像识别技术
• 5.1 概述
• 5.2 探地雷达探测图像的识别技术研究现状
• 5.2.1 目标识别方法的进展
• 5.2.2 探地雷达目标识别中的模式识别技术
• 5.2.3 探地雷达目标图像识别的应用
• 5.3 基于小波神经网络的图像识别
• 5.3.1 小波神经网络的研究现状和发展历史
• 5.3.2 小波神经网络的理论基础
• 5.3.3 基于MATLAB编程的小波神经网络的图像识别技术研究
• 5.4 基于小波神经网络的隧道壁后注浆探测识别结果
• 5.4.1 典型特征波的提取
• 5.4.2 小波神经网络训练样本的形成
• 5.4.3 隧道壁后注浆图像小波神经网络注浆层识别结果分析
• 5.5 隧道壁后注浆层三维可视化研究
• 5.6 隧道壁后注浆层实例分析
• 5.6.1 翔殷路越江隧道现场探测
• 5.6.2 上中路隧道现场探测
• 5.6.3 地铁9号线区间隧道现场探测
• 5.7 小结
• 参考文献
• 第6章 盾构隧道注浆分布对沉降及结构内力影响的数值模拟分析
• 6.1 引言
• 6.2 注浆分布范围定义
• 6.3 三维有限元软件MSC.Marc
• 6.4 计算模型与计算方法
• 6.4.1 基本假定
• 6.4.2 计算模型建立
• 6.4.3 注浆单元及注浆压力的模拟
• 6.4.4 初始自重应力场的建立
• 6.5 盾构隧道注浆施工有限元模拟结果分析
• 6.5.1 注浆压力对地表沉降和隧道结构影响分析
• 6.5.2 二次补偿注浆对地表沉降影响分析
• 6.5.3 壁后注浆量对地表沉降和隧道结构影响分析
• 6.5.4 壁后注浆体凝固过程对地表沉降和隧道结构影响分析
• 6.5.5 盾构隧道壁后注浆纵向分布模拟
• 6.6 工程实例分析
• 6.7 隧道纵向沉降控制措施方法（DAC方法）
• 6.8 小节
• 参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 存在的问题与展望
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果