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盾构隧道施工安全的若干问题研究

作　者: 董明钢
导　师: 冯紫良
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 盾构隧道可靠度破裂地层损失管片交叠隧道土体稳定
分类号: U455.43
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文通过整合可靠度、有限元和组合数学等理论并结合数值计算技术，提出了一种可靠度分析计算的模型与方法。在将该方法成功地应用于盾构隧道施工实践的过程中，不但对工程实例给出了定量分析，同时也展现了这种计算方法的实用性。本文的研究主要涉及到了3个方面：一、可靠度分析关键技术研究该部分的主要研究工作有二：其一是提出了一种可对实际工程进行可靠度分析的方法。该方法利用有限元计算得到计算区域内各处的应力和应变，利用组合数学中的Dijkstra算法确定计算区域内的潜在最危险破裂面，利用数值计算方法通过R—F变换将各个随机变量当量正态化，最终利用可靠度理论进行计算分析，并编制了相应的程序，为地下工程的安全性研究分析提供了一种新的选择。其二是在地层损失的数值模拟研究。笔者根据地层损失的定义，通过折减盾构隧道衬砌的弹性模量来模拟实际盾构施工过程中发生的地层损失，并结合工程实例给出了地层损失和衬砌弹性模最折减量之间的函数关系，为本文以后的研究工作奠定了基础。二、盾构管片破裂现象可靠度分析按照本文所整合的可靠度计算分析方法，本部分针对在盾构隧道施工过程中时常发生的盾构管片破裂现象进行了计算分析。得到了相应的可靠度指标和各随机变量的敏感系数，并给出了各随机变量的变异系数对可靠度指标及各随机变量敏感系数的影响图。本部分所得到的结果能够定量解释目前工程中常见的管片开裂现象，并通过定量分析得到结论：撑靴推力大小、撑靴偏心距离和混凝土抗拉强度是引起预制盾构管片在拼装过程中破裂的主要因素。三、上下交叠隧道间土体稳定性可靠度分析根据已有的有关地层损失资料，对其中的相关数据进行假设检验分析，得出了‘不能否认地层损失符合正态分布’这一结论。在此基础上，同样按照本文所整合的可靠度计算方法，对上下交叠隧道间土体的稳定性进行了计算分析。通过计算得到了交叠隧道间土体稳定性的可靠度指标和各个随机变量的敏感系数，并给出了各随机变量的变异系数对可靠度指标及各随机变量敏感系数的影响图。研究结果对实际施工过程中所采取的部分施工措施(注浆、严格控制施工参数等)给出了定量解释，同时得到与上海地区工程经验相吻合的定量结论：地层损失、加固土体的内聚力的离散程度对交叠隧道间的土体强度影响较大，加固土体内摩擦角的影响要小于前两个随机变量。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 前言  10-27
  1.1 概述  10-11
  1.2 国内外研究现状及评述  11-21
    1.2.1 可靠度理论研究现状  11-14
    1.2.2 有关地层损失的研究现状  14-18
    1.2.3 交叠隧道研究和工程现状  18-21
  1.3 本文的主要研究内容  21-22
  参考文献  22-27
2 关键技术  27-63
  2.1 可靠度理论  27-39
    2.1.1 可靠度的概念  27-30
    2.1.2 结构可靠指标  30-33
    2.1.3 可靠度分析方法概述  33
    2.1.4 可靠度计算方法  33-39
  2.2 最危险破裂面搜索方法研究  39-41
    2.2.1 组合数学原理  39-40
    2.2.2 组合优化算法  40-41
  2.3 地层损失的计算模型研究  41-60
    2.3.1 引起地层损失的主要原因  41-42
    2.3.2 利用 GaP参数估算地层损失的方法  42-46
    2.3.3 模拟地层损失的二维计算模型研究  46-54
    2.3.4 模拟地层损失的计算结果及分析  54-58
    2.3.5 衬砌弹性模量折减量同地层损失之间关系分析  58-60
  2.4 小结  60-61
  参考文献  61-63
3 管片拼装过程中破裂现象的可靠度分析  63-103
  3.1 问题提出  63-64
  3.2 风险因子识别  64-67
    3.2.1 计算的假定  64-65
    3.2.2 计算参数  65-66
    3.2.3 确定随机变量  66-67
  3.3 可靠度计算  67-68
    3.3.1 确定破裂线的准则  67
    3.3.2 极限平衡方程  67-68
    3.3.3 随机变量的取值  68
  3.4 程序编制  68-73
    3.4.1 程序概述  69-70
    3.4.2 考题算例  70-73
  3.5 整理、分析计算结果  73-100
    3.5.1 变动推力大小和混凝土抗拉强度的标准差所得计算结果及整理分析  73-78
    3.5.2 变动推力大小和推力偏心距离的标准差所得计算结果及整理分析  78-82
    3.5.3 变动混凝土抗拉强度和推力偏心距离的标准差所得计算结果及整理分析  82-86
    3.5.4 变动推力大小和推力倾斜角度的标准差所得计算结果及整理分析  86-91
    3.5.5 变动混凝土抗拉强度变异系数、推力倾斜角度标准差所得计算结果及整理分析  91-95
    3.5.6 变动推力偏心距离和推力倾斜角度的标准差所得计算结果及整理分析  95-100
    3.5.7 计算分析结论  100
  3.6 本章小结  100-102
  参考文献  102-103
4 上下交叠隧道间土体稳定性的可靠度分析  103-133
  4.1 问题提出  103
  4.2 随机变量的选择及取值  103-105
    4.2.1 主要设计施工措施  104
    4.2.2 对施工措施的定性分析  104
    4.2.3 随机变量的选取和取值  104-105
  4.3 随机变量的处理  105-113
    4.3.1 随机变量的概率分布类型  105-110
    4.3.2 随机变量的“当量”正态化  110-113
  4.4 极限平衡方程和交叠隧道间最危险软弱面的搜索研究  113-120
    4.4.1 极限平衡方程  113
    4.4.2 潜在最危险破裂面的搜索算法──Dijkstra比算法  113-118
    4.4.3 程序编制和实例验算  118-120
  4.5 可靠度计算程序编制  120-121
  4.6 整理、整理计算结果  121-129
    4.6.1 变动地层损失和加固土体内聚力的变异系数所得计算结果及整理分析  121-124
    4.6.2 变动加固土体内聚力和内摩擦角的变异系数所得计算结果及整理分析  124-127
    4.6.3 变动地层损失和加固土体内摩擦角的变异系数所得计算结果及整理分析  127-128
    4.6.4 结论与建议  128-129
  4.7 本章小节  129-130
  参考文献  130-133
5 结论与展望  133-134
  5.1 本文的研究成果  133
  5.2 有待进一步研究的工作  133-134
致谢  134

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