【摘要】：隨著城市化建設(shè)的不斷深入,城市地鐵數(shù)量及規(guī)模不斷擴大,受地質(zhì)條件的制約和限制,盾構(gòu)法已成為目前地鐵工程建設(shè)的主要施工方法。由于受到既有結(jié)構(gòu)物、地質(zhì)條件、地下空間等因素的影響,新建城市地鐵隧道雙向之間的距離較近、穿越或近接既有地鐵隧道或其它結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)象不可避免,新建近接隧道之間或新建隧道與近接既有結(jié)構(gòu)物之間存在著復(fù)雜的力學(xué)問題與施工問題。而且地鐵隧道一般埋深很淺,對開挖擾動極其敏感,當(dāng)新建(后行)地鐵隧道近接既有(先行)隧道或其它結(jié)構(gòu)物時,若不采取相應(yīng)控制與保護措施,將會對既有(先行)隧道或結(jié)構(gòu)物造成破壞性后果。新建地鐵隧道盾構(gòu)施工往往會引起周圍地層的土體擾動,從而對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力,如果附加應(yīng)力超過既有隧道結(jié)構(gòu)的強度,就會造成隧道管片錯位、開裂等,導(dǎo)致地下水侵入,影響既有隧道的正常使用。與此同時,既有隧道的結(jié)構(gòu)變形會引起周圍土層擾動變形,繼而威脅新建隧道的施工安全。因此,如何控制和降低近接施工兩條隧道的相互影響是地鐵盾構(gòu)法施工的核心問題,已經(jīng)引起了巖土工程界的廣泛關(guān)注。由此可見,對地鐵盾構(gòu)近接既有隧道施工時的力學(xué)機理及相互影響的研究顯得尤為重要。雖然在這方面,國內(nèi)外已進行了大量的研究,但是對盾構(gòu)近接施工的力學(xué)機理的研究還不夠深入,特別是針對復(fù)雜地質(zhì)條件下如特殊軟土地層中盾構(gòu)近接施工方面可供參考的實踐經(jīng)驗則更為欠缺,而且缺少對不同近接影響程度的近接盾構(gòu)施工控制措施方面的研究,對城市地鐵近接施工的力學(xué)機理及控制措施展開相關(guān)方面的研究有著重要的理論研究價值和實踐指導(dǎo)意義。蘇州市軌道交通4號線是城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的重點線路之一,采用盾構(gòu)法施工,按照先獨立施工完右行線再施工左行線的方式進行地鐵隧道開挖；其中安元西路站～春申湖路站區(qū)間工程地鐵隧道凈距在4.5m～8m之間,根據(jù)相關(guān)研究和規(guī)范,該區(qū)段屬于強影響范圍,由此可見施工期間后行洞對先行洞的影響明顯。此外本區(qū)間地鐵隧道主要穿越湖相粉質(zhì)黏土層,巖土體工程性質(zhì)復(fù)雜。所以,如何有效地控制先后行洞近接施工帶來的地而過大變形,以及后行隧道施工對先行隧道產(chǎn)生的過大應(yīng)力應(yīng)變問題是工程建設(shè)亟待解決的重要問題。在上述工程背景條件下,論文以蘇州市軌道交通4號線(主線)安元西路站-春中湖路站區(qū)間段為依托,采用室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)控量測分析、數(shù)學(xué)分析等方法分析近接地鐵盾構(gòu)施工控制技術(shù)、近接先行隧道結(jié)構(gòu)在施工影響下的受力與變形以及周圍地層的變形等,針對不同的區(qū)域采取不同的盾構(gòu)施工控制措施以維護先行隧道的穩(wěn)定,為地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場應(yīng)用及類似工程提供指導(dǎo)與參考。論文首先通過現(xiàn)場調(diào)查掌工程地質(zhì)條件與各類近接物分布情況,選取了最小凈距為4.5m時的研究區(qū)段。分析了研究區(qū)域工程地質(zhì)條件的性質(zhì),對區(qū)間代表性土體進行取樣并獲取了相關(guān)物理力學(xué)參數(shù),在此基礎(chǔ)上,計算提出了此條件下的盾構(gòu)匹配參數(shù)。從理論上進行了盾構(gòu)隧道近接施工的共同作用機理與應(yīng)力應(yīng)變分析。同時,結(jié)合三維數(shù)值模擬軟件ABAQUS對后行洞近接施工通過先行洞監(jiān)測斷面時以及通過先行洞監(jiān)測斷面后的各種工況進行模擬和計算,并得出相應(yīng)的結(jié)論。采用現(xiàn)場監(jiān)測手段獲得了盾構(gòu)施工過程中的盾構(gòu)管片應(yīng)力應(yīng)變、地層變形、以及盾構(gòu)匹配參數(shù)等,通過對數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析整理,提出了以控制土層位移和管片結(jié)構(gòu)受力為目的盾構(gòu)施工控制技術(shù)體系。論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論包括：(1)對研究區(qū)的土體進行了現(xiàn)場取樣,并進行了物理力學(xué)試驗,分析得出研究區(qū)域土體的物理特性以及抗壓強度、抗剪強度等物理力學(xué)參數(shù)。通過物理特性試驗發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)隧道穿越的土體為湖相沉積土,含腐植質(zhì),土體飽和且流塑,不具明顯的流動性,且比較均質(zhì),不含砂土、鵝卵石等。結(jié)合土體的壓縮強度試驗,確定了土體在累積逐級的荷載作用下土體的應(yīng)力應(yīng)變特征,隨著壓力增大,各土體的壓縮模量都隨之增大。利用室內(nèi)土體剪切強度試驗,確定了該區(qū)土體的剪切力學(xué)參數(shù),并分析各土體隨豎向荷載的變化其抗剪強度的變化的敏感程度,發(fā)現(xiàn)①3素填土隨豎向荷載變化其抗剪強度變化最大。通過土體壓縮-卸荷-壓縮循環(huán)試驗和壓縮-卸荷-剪切循環(huán)試驗,分析了研究區(qū)域土體在三軸循環(huán)加載卸載的條件下的力學(xué)特征,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過壓縮-卸荷-壓縮循環(huán)試驗的土樣的壓縮性得到降低,變形減小,抗剪強度的得到提高,抗剪性變大。(2)確定了盾構(gòu)的類型及主要的工作參數(shù)。依據(jù)地層滲透系數(shù)、地層顆粒級配與地下水壓特征,從環(huán)保經(jīng)濟高效的角度,確定了采用土壓平衡盾構(gòu)機最為合理。通過理論計算并結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗,確定了盾構(gòu)掘進過程中的主要工作參數(shù),包括平衡壓力、掘進推力、刀盤扭矩、推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、出土量及注漿參數(shù)等。(3)通過對盾構(gòu)單洞施工的力學(xué)分析,得出盾構(gòu)施工對周圍土體主要產(chǎn)生擠壓-剪切-卸荷的作用,且在隧道周圍產(chǎn)生相應(yīng)的擾動區(qū)域。根據(jù)盾構(gòu)單洞施工開挖支護后地層的位移分析,認為支護對控制土體變形具有重要作用。針對蘇州地鐵近接施工進行施工力學(xué)機理分析,確定了后行隧道施工對先行隧道的影響也是一個擠壓-剪切-卸荷的過程。(4)通過盾構(gòu)施工過程力學(xué)分析,將后行洞開挖引起的作用于先行洞的附加應(yīng)力簡化為水土壓力及推進力分力之和,建立了盾構(gòu)機通過先行隧道監(jiān)測斷面時的二維分析模型,在左邊界施加計算土壓力0.22MPa的均布荷載,得到土體最大變形約為3.8mm,管片產(chǎn)生豎向變形,最大變形量約為1.8mm,臨空面土體位移得到有效控制,說明計算得到的土壓平衡力是合理的。(5)后行洞工作而到達監(jiān)測斷面時,當(dāng)推擠力在0.22MPa-0.72MPa范圍內(nèi),管片變形量及變化幅度相對較小,管片變形量在10mm以內(nèi)；隨著推擠力的繼續(xù)增大,管片變形速率明顯增大,在0.72MPa處出現(xiàn)拐點,變形量超出10mm。當(dāng)推擠力為0.72MPa時,監(jiān)測斷而的應(yīng)力與實際監(jiān)測的最為接近,且管片變形量在允許范圍之內(nèi)。綜合考慮施工效率及施工安全,將0.72MPa作為后行隧道近接施工土艙壓力參數(shù)修正的依據(jù)。(6)建立了后行洞通過先行洞后的三維數(shù)值分析模型,分析了后行洞通過先行洞監(jiān)測斷面后管片的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力及軸向應(yīng)力等三維應(yīng)力狀態(tài)。計算表明：近接施工中,后行隧道對先行隧道影響這要表現(xiàn)在管片周圍受力不均,沿管片周長方向環(huán)向應(yīng)力呈現(xiàn)波動狀,容易造成管片的損壞；另外,近接位置處管片變形明顯大于遠離近接區(qū)域,管片變形差值大,在施工過程中應(yīng)控制施工條件保證施工的安全進行。后行隧道施工時,使得先行隧道拱頂處出現(xiàn)沉降,拱底處出現(xiàn)隆起,在豎向變形作用下,管片向兩側(cè)加壓土體,使得土體產(chǎn)生向隧道外部移動的趨勢。近接施工時,后行隧道對先行隧道左側(cè)產(chǎn)生的變形最大,而右側(cè)變形最小,左洞開挖完成后,右洞管片監(jiān)測斷面左側(cè)最大位移為6mm,右側(cè)最小位移為1.5mm。(7)通過對現(xiàn)場先行洞管片進行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：后行洞工作而遠離監(jiān)測斷而時,監(jiān)測斷而環(huán)向應(yīng)力較徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力大,先行洞管片拱頂與左拱腰處管片徑向應(yīng)力隨著工作而的遠離有減小的趨勢,管片底部徑向應(yīng)力隨著工作而的遠離有增大的趨勢,而管片右拱腰處的徑向應(yīng)力幾乎不隨著隧道的掘進產(chǎn)生變化。隨著后行洞盾構(gòu)的掘進,先行洞管片±45°處沿管片環(huán)向應(yīng)力基本保持不變,軸向應(yīng)力整體上呈增大的趨勢。左洞開挖對右洞管片水平位置處的應(yīng)力影響較為復(fù)雜,對其沿周長方向環(huán)向應(yīng)力呈波動狀,軸向向應(yīng)力整體上呈減小的趨勢。(8)通過現(xiàn)場地表位移監(jiān)測得到：先行隧道及后行隧道施工產(chǎn)生的地表總位移變化規(guī)律符合近接雙孔平行隧道施工地表沉降規(guī)律,且在盾構(gòu)機到達C3、C4監(jiān)測斷面前,距離為5m時,隧道上方地表主要發(fā)生隆起變形,后行隧道上方產(chǎn)生最大隆起量,其值分別為1.28mm、1.65mm,這說明盾構(gòu)施工參數(shù)不合理導(dǎo)致盾構(gòu)通過前周圍土體受擠壓作用,最終引起地表隆起；盾構(gòu)機通過監(jiān)測面C5后,隧道在先行洞上方地表產(chǎn)生最大沉降,其值為25.2mm,接近控制標(biāo)準30mm。這說明盾構(gòu)施工過程參數(shù)存在一定的不合理性,需要調(diào)控盾構(gòu)施工參數(shù)。(9)通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋分析,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗,提出了盾構(gòu)近接控制技術(shù)的基本準則,對盾構(gòu)近接施工參數(shù)進行了控制分析。分析盾構(gòu)機通過C3、C4監(jiān)測斷面前5m時隧道上方地表隆起變形機理得到,造成地表隆起的原因可能是土艙壓力或掘進推力設(shè)置過大等。需要適當(dāng)減小土艙壓力或掘進推力,可將土艙壓力進行適當(dāng)減小0MPa～0.02MPa,而盾構(gòu)的推力則可考慮進行適當(dāng)減小0kN～220.85kN。(10)盾構(gòu)機通過監(jiān)測面C5后,隧道在先行洞上方地表產(chǎn)生最大沉降,其值為25.2mm,接近控制標(biāo)準30mm,分析發(fā)現(xiàn)是由于盾構(gòu)在同步注漿過程中的注漿量不足或者推進速度過快等引起的,需要適當(dāng)增大注漿量或減小推進速度�？梢詫⒆{量動態(tài)進一步增加0～0.5m3/環(huán)之間,且應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及工期要求調(diào)整推進速度。隧道在粉質(zhì)黏土掘進過程中,為避免出現(xiàn)“磕頭”的現(xiàn)象,盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)始終保持為稍微抬頭的趨勢,俯仰角宜控制在3-5mm/m之間。同時盾構(gòu)機軸線與設(shè)計軸線在水平和豎直方向的偏差設(shè)置在±20mm內(nèi),若施工中出現(xiàn)姿態(tài)偏差過大的問題,應(yīng)立刻進行逐步緩慢調(diào)整,必須避免緊急糾偏,即一次性調(diào)整幅度過大。本論文以蘇州市軌道交通4號線(主線)安元西路站～春申湖路站近接施工區(qū)間段為依托,采用多種研究手段和方法分析了地鐵盾構(gòu)隧道近接施工技術(shù)及其近接物在施工影響下的受力與變形機理,針對不同的控制采取不同的措施以維護隧道及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,為地鐵隧道順利施工及安全運營提供重要的技術(shù)保障。論文的研究具有重要的理論研究及實踐應(yīng)用價值。
[Abstract]:With the deepening of urbanization , the number and scale of the urban subway are constantly expanding , and the shield method has become the main construction method of the current subway engineering construction .
Based on the analysis of the engineering geological conditions and the distribution of the surrounding strata , this paper analyzes the characteristics of the shield tunnel construction in the area , analyzes the characteristics of the tunnel structure under the influence of construction , and gives some guidance and reference for the construction of the shield tunnel . Based on the analysis of the mechanics of shield tunnel construction , it is concluded that the main working parameters of shield tunneling are such as balance pressure , tunneling thrust , cutter head torque , propulsion speed , cutter head rotation speed , amount of excavated earth and grouting parameters .
With the increasing of pushing force , the deformation rate of the tube sheet is obviously increased , the inflection point appears at 0.72 MPa , the deformation amount exceeds 10 mm . When the pushing force is 0.72 MPa , the stress and the axial stress of the rear row tunnel are measured .
In addition , the deformation of the pipe piece at the near position is obviously larger than that of the near - contact area , the deformation difference of the pipe piece is large , and the construction conditions can be controlled in the construction process to ensure the safety of the construction .
This paper puts forward the basic criterion of shield near - connection control technology by monitoring surface C5 . It is necessary to control shield construction parameters .
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U455.43

【參考文獻】

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本文編號：2121427