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多圆盾构施工扰动土体位移场特性及其控制技术研究

作　者: 孙统立
导　师: 张庆贺
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 异形盾构 双圆盾构 施工扰动 位移场 施工力学 环境土工损伤 施工控制技术
分类号: U455.43
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 728次
引　用: 8次
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内容摘要


随着城市地下空间的进一步开发利用，盾构施工不断向大深度、急曲线、长距离、大直径、断面最佳化的方向发展，并出现新颖的异形盾构用于地铁区间隧道和深埋车站等地下工程。盾构施工扰动引起的地面沉降是城市环境土工学的一个重要课题，对于双圆盾构工法引起的土体扰动、地层移动尚缺乏足够的认识，探索双圆盾构工法的土体扰动规律既是生产实践需求，也具有一定的理论研究价值。依据上海轨道交通M6线双圆盾构区间隧道工程，通过对地面沉降监测结果的统计分析、试验段双圆盾构现场掘进试验、三维数值模拟等手段得出双圆盾构工法的地面沉降、土体扰动、孔隙水压变化规律，归纳减小双圆盾构施工环境土工损伤的控制措施，为后续双圆盾构工法的推广应用以及其他异形盾构（H&V、MF、三圆盾构）的开发研制提供了大量的借鉴数据与研究手段。主要工作和研究成果如下：（1）依托于双圆盾构掘进地面沉降的实测数据，采用数理统计方法分析双圆盾构施工地面横向、纵向沉降槽特征：建立双圆盾构地面沉降的“类Peck公式”；统计分析双圆盾构施工影响范围、地层损失率、沉降槽宽度等参数的取值范围。（2）通过双圆盾构现场掘进试验，分析盾构施工扰动引起的土体位移场特性、孔隙水压变化规律，提出双圆盾构施工扰动区域性时段性特征，给出双圆盾构施工扰动横向、纵向扰动分区图。（3）选取试验段对双圆盾构主要施工参数（土舱压力、注浆量、推进速度）进行敏感性分析，动态监测双圆盾构施工引起的横向、纵向深层土体沉降规律与盾构施工参数的相关性。（4）应用弹性力学Mindlin应力解建立双圆盾构施工土体附加应力场计算方法，考虑正面附加推力侧摩阻力作用定量分析双圆盾构掘进引起的土体附加应力场分布特征，采用Visual Fortran 6.0编制相应的程序。（5）采用经典的力学解答，建立双圆盾构施工扰动土体位移场计算方法，采用Visual Fortran 6.0实现计算过程的程序化。应用弹性力学Mindlin位移解，考虑盾构掘进施工荷载（正面附加推力、侧摩阻力）以及考虑土体泊松比及非等量径向土体移动模式的修正Sagaseta公式，建立双圆盾构考虑地层损失作用下地表变形的解析公式。（6）基于等效间隙参数的概念，建立考虑土体影响角φ的多圆盾构（DOT、MF）修正Loganathan公式，分析多圆盾构施工引起的土体地面沉降、深层沉降以及侧向位移特征。（7）采用通用有限元计算程序ANSYS 8.1对双圆盾构施工力学行为进行数值模拟，研究双圆盾构施工对土体沉降的影响过程，并与监测结果对比进一步挖掘其规律性。（8）提出复杂隧道结构（交叉、分岔、异形）的集成数值模拟计算技术，实现复杂隧道结构建模、计算、后处理的有机结合，采用有限差分程序FLAC3D 3.0对双圆盾构掘进土体位移场特性进行数值模拟，分析双圆盾构施工扰动的横向纵向沉降等值线特征。（9）归纳异形盾构施工扰动环境土工损伤的施工控制方法，总结双圆盾构隧道地面沉降控制施工技术；归纳双圆盾构纠偏、旋转的控制措施；提出运用多圆盾构修建深埋地下车站的施工工艺；初步探索了我国异形盾构工法的国产化研制策略。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-17
第1章 绪论  17-43
  1.1 引言  17-23
  1.2 国内外研究现状  23-35
    1.2.1 盾构法隧道施工扰动机理研究  23-25
    1.2.2 盾构法隧道施工扰动引起土层位移研究现状  25-35
      1.2.2.1 经验方法  26-29
      1.2.2.2 解析方法  29-32
      1.2.2.3 数值方法  32-33
      1.2.2.4 人工智能方法  33-34
      1.2.2.5 模型试验方法  34-35
  2.3 异形盾构工法国内外研究现状  35-38
    1.2.3.1 异形盾构试验研究  35-36
    1.2.3.2 双圆盾构施工扰动土体位移特征  36
    1.2.3.3 异形衬砌结构受力特征  36-37
    1.2.3.4 异形盾构隧道施工实例  37-38
  1.3 双圆盾构工法的特点及技术难点  38-40
    1.3.1 双圆盾构工法技术的优缺点  38-40
    1.3.2 双圆盾构施工中遇到的问题  40
  1.4 本文的主要研究内容、技术路线和创新点  40-43
第2章 双圆盾构施工地面沉降监测及统计分析  43-58
  2.1 工程概况  43-47
    2.1.1 工程概述  43
    2.1.2 工程地质  43-44
    2.1.3 隧道衬砌结构  44
    2.1.4 DOT(Double-O-Tube)盾构机械  44-47
  2.2 实测地面沉降曲线分析  47-50
    2.2.1 横向沉降槽分析  47-48
    2.2.2 纵向沉降槽分析  48-49
    2.2.3 沉降曲线形态分析  49-50
  2.3 双圆盾构地面沉降计算模型  50-54
    2.3.1 横向沉降计算  50-52
    2.3.2 纵向沉降的计算  52-53
    2.3.3 计算结果与分析  53-54
  2.4 双圆盾构施工地面沉降特征分析  54-56
    2.4.1 地面沉降影响范围  54
    2.4.2 地层损失率与沉降槽宽度的取值  54-55
    2.4.3 地面沉降概率分析  55-56
  2.5 本章小结  56-58
第3章 双圆盾构掘进引起土体扰动的试验分析  58-80
  3.1 引言  58
  3.2 试验段现场监测方案  58-61
    3.2.1 监测主要内容  58-59
    3.2.2 试验段位置及测点布置  59-60
    3.2.3 测点布置图  60-61
  3.3 双圆盾构施工土体扰动特性及实测分析  61-70
    3.3.1 双圆盾构掘进试验段现场监测分析  62-67
      3.3.1.1 土体深层沉降监测  62-64
      3.3.1.2 土体水平位移监测  64-66
      3.3.1.3 超孔隙水压力监测  66-67
    3.3.2 双圆盾构施工土体扰动特性分析  67-70
      3.3.2.1 土体扰动区域性特征  67-69
      3.3.2.2 纵向沉降曲线时段特征  69-70
  3.4 双圆盾构施工土体沉降参数敏感性分析  70-78
    3.4.1 试验段施工参数调整试验  70-72
      3.4.1.1 施工参数调整原则  70-71
      3.4.1.2 施工参数调整方案  71-72
    3.4.2 监测结果分析  72-78
      3.4.2.1 地面沉降分析  72-74
      3.4.2.2 横向深层沉降槽形态分析  74-76
      3.4.2.3 纵向沉降形态分析  76-77
      3.4.2.4 双圆盾构施工土体深层沉降3-D特征  77-78
  3.5 本章小结  78-80
第4章 多圆盾构施工扰动及土体位移场特性分析  80-131
  4.1 引言  80
  4.2 双圆盾构掘进施工扰动土体附加应力分析  80-93
    4.2.1 理论分析  81-84
      4.2.1.1 正面附加推力作用下  83-84
      4.2.1.2 侧摩阻力作用下  84
    4.2.2 数值积分格式及收敛性  84-86
    4.2.3 算例分析  86-93
      4.2.3.1 盾构掘进引起正前方向上附加应力σ_x的分布  86-89
      4.2.3.2 双圆盾构掘进引起侧向附加应力σ_y的分布  89-92
      4.2.3.3 共同作用引起的附加应力分析  92-93
      4.2.3.4 小结  93
  4.3 双圆盾构施工扰动引起的地面变形计算  93-111
    4.3.1 双圆盾构施工引起土层位移因素分析  93-94
    4.3.2 双圆盾构施工引起地面变形解析方法  94-102
      4.3.2.1 正面附加推力作用下  95
      4.3.2.2 侧摩阻力作用下  95-96
      4.3.2.3 考虑地层损失作用引起的地表土体变形  96-100
      4.3.2.4 双圆盾构地层损失的确定方法  100-102
      4.3.2.5 双圆盾构施工引起的土体变形计算  102
    4.3.3 数值积分格式及收敛性  102-103
    4.3.4 算例分析  103-111
      4.3.4.1 纵向地面沉降曲线  103-106
      4.3.4.2 横向地面沉降曲线  106-109
      4.3.4.3 双圆盾构施工地表位移三维特征曲线  109-111
  4.4 地层损失作用下多圆盾构(DOT、MF)施工土层位移计算方法  111-128
    4.4.1 异形(双圆、三圆)盾构施工土层位移计算方法  112-117
      4.4.1.1 地层损失作用下土体位移理论解  112-113
      4.4.1.2 多圆盾构(双圆、三圆)的修正Loganathan公式  113-116
      4.4.1.3 多圆(双圆、三圆)盾构隧道地层损失的确定方法  116-117
    4.4.2 算例分析  117-128
      4.4.2.1 等效间隙参数g的计算  117-118
      4.4.2.2 台北快速轨道系统(TRTS)南港线  118-119
      4.4.2.3 上海轨道交通6号线土建9标双圆盾构工程  119-124
      4.4.2.4 三圆盾构施工土体位移特征分析  124-128
  4.5 本章小结  128-131
第5章 双圆盾构隧道施工力学行为三维数值模拟  131-159
  5.1 引言  131
  5.2 双圆盾构施工土体沉降有限元数值模拟  131-142
    5.2.1 盾构隧道施工力学行为数值模拟  132-134
      5.2.1.1 盾构法隧道施工过程实现  132
      5.2.1.2 开挖及衬砌拼装注浆过程模拟  132-133
      5.2.1.3 应力释放  133-134
    5.2.2 计算模型  134-136
      5.2.2.1 计算假定  134
      5.2.2.2 计算区域及边界条件  134-135
      5.2.2.3 材料参数取值  135-136
    5.2.3 数值模拟结果分析  136-139
    5.2.4 计算结果与监测数据对比  139-142
    5.2.5 小结  142
  5.3 三维快速拉格朗日有限差分法基本理论简介  142-146
    5.3.1 FLAC~(3D)计算平台及优缺点  142-143
    5.3.2 FLAC~(3D)计算原理及分析功能  143-145
    5.3.3 FLAC~(3D)的求解过程  145-146
    5.3.4 盾构隧道施工模拟的FLAC语言实现  146
  5.4 考虑大变形双圆盾构施工土体扰动有限差分模拟  146-157
    5.4.1 计算模型  147-149
      5.4.1.1 网格剖分和计算范围  147-148
      5.4.1.2 计算参数取值  148-149
      5.4.1.3 模拟过程  149
    5.4.2 FLAC~(3D)计算结果分析  149-155
      5.4.2.1 位移场特征  149-152
      5.4.2.2 横向沉降等值线  152-153
      5.4.2.3 纵向沉降等值线  153-155
    5.4.3 有限差分计算结果与现场监测解析解结果对比  155-157
  5.5 本章小结  157-159
第6章 异形盾构工法施工控制技术研究  159-180
  6.1 双圆盾构工法与单圆盾构工法的异同  159-162
    6.1.1 正面土压力控制  160
    6.1.2 姿态控制  160-161
    6.1.3 注浆体系  161-162
    6.1.4 管片拼装  162
  6.2 双圆盾构隧道地面沉降控制施工技术  162-168
    6.2.1 严格控制盾构正面平衡土压力  163-164
    6.2.2 注浆量和注浆压力的选定  164-165
    6.2.3 控制盾构姿态、严防盾构机发生旋转  165-166
    6.2.4 提高管片拼装质量  166-167
    6.2.5 隧道渗漏控制  167
    6.2.6 合理控制盾构推进速度  167-168
  6.3 防止双圆盾构旋转施工控制技术  168-171
  6.4 双圆盾构施工环境土工损伤分析  171-175
    6.4.1 博兴路站进洞浅覆土施工技术措施  172-173
    6.4.2 盾构近距离穿越钢筋混凝土桩基的技术措施  173-174
    6.4.3 大断面长距离构筑物下双圆盾构掘进工法  174-175
  6.5 异形盾构工法在深埋地铁车站中的应用  175-178
  6.6 异形盾构工法开发动向及应用前景  178-179
  6.7 本章小结  179-180
第7章 结论与展望  180-185
  7.1 结论  180-183
  7.2 进一步工作的方向  183-185
致谢  185-187
参考文献  187-195
个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果  195-196

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 隧道工程 > 隧道施工 > 施工方法 > 盾构法（全断面开挖）
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