城市密集區(qū)大直徑盾構隧道施工地層響應分析

發(fā)布時間：2020-04-19 22:01

【摘要】：近年來,隨著國民經(jīng)濟的快速增長和基礎建設的廣泛投入,城市地下空間建設迎來了大發(fā)展,盾構隧道施工作為城市地下空間建設的有效工具,在城市地鐵、市政通道以及高鐵隧道建設中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。為了有效控制施工中隧道自身及周邊建(構)筑物的安全,就必須深入認識不同盾構施工條件下地層響應的變形特征、變形機理以及控制措施。尤其在城市核心區(qū)進行隧道建設,面臨著周邊重要建(構)筑物種類繁多,地鐵公路交通紛冗復雜以及各類城市地下管線錯綜密布等復雜環(huán)境條件,使得施工中對于地層變形有著更嚴格的控制要求,因此,針對城市密集區(qū)大直徑盾構隧道施工地層響應的研究分析具有重要意義。本文以清華園隧道3#～2#盾構區(qū)間工程為研究背景,統(tǒng)計分析了不同地層條件下不同施工階段地層地表沉降和水平位移的變形發(fā)展規(guī)律并綜合考慮了盾構施工參數(shù)的影響。應用數(shù)值模擬分析了盾構開挖區(qū)不同地層條件下地層地表沉降和水平位移的變形規(guī)律,同時建立90組模型參數(shù)影響分析數(shù)據(jù)庫分別分析隧道幾何參數(shù)、工程地質參數(shù)以及盾構施工參數(shù)對于最大地表沉降的影響。建立BP和優(yōu)化BP、自定義神經(jīng)網(wǎng)絡以及時間序列預測模型,實現(xiàn)施工中對于地層地表沉降和水平位移的實時預測�；谶z傳算法完成盾構施工參數(shù)的控制分析,并提出施工中地層變形的主要控制措施。主要研究成果包括:(1)通過工程實測數(shù)據(jù)以及盾構記錄參數(shù),統(tǒng)計分析得到不同地層條件下地層地表沉降與水平位移的變形特征并對區(qū)間內(nèi)盾構施工參數(shù)進行階段性變化規(guī)律統(tǒng)計和相關性分析。地表沉降歷時變形呈現(xiàn)“S”型分布,Logistic函數(shù)可實現(xiàn)其很好擬合,五階段橫向地表沉降呈現(xiàn)“U”型槽分布,Peck經(jīng)驗公式可實現(xiàn)其很好擬合;地層水平位移在不同地層條件下分別呈現(xiàn)出“斜L型”和“外凸型”分布,同時采用增量分析發(fā)現(xiàn)水平位移沿深度方向上的變形規(guī)律。各盾構施工參數(shù)在不同地層條件下發(fā)生明顯的階段性變化,且相互間表現(xiàn)出不同程度的相關性,但與地層變形表現(xiàn)出強相關,同時通過理論計算給出不同盾構區(qū)段盾構施工參數(shù)建議值。(2)采用數(shù)值模擬分析了工程施工中隧道開挖應力釋放系數(shù)的取值范圍和開挖區(qū)不同土層條件下地層地表沉降和水平位移的變形發(fā)展規(guī)律,并建立90組多參數(shù)數(shù)值模型分析數(shù)據(jù)庫并對各單一影響因素進行分析。二維數(shù)值模型模擬并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定適用于本工程的地層應力釋放系數(shù)在0.12～0.14范圍內(nèi);三維開挖不同土層分析模型確定隧道施工引起的地表沉降與水平位移在砂卵石土層、粉黏層或者砂卵石與粉黏土互雜土層三種不同地層條件下有著不同的變形規(guī)律。采用控制變量建立90組三維地表最大沉降參數(shù)影響分析模型數(shù)據(jù)庫,逐一分析各隧道幾何參數(shù)、工程地質參數(shù)以及盾構施工參數(shù)對于地層變形的影響并進行了擬合分析評價。(3)應用神經(jīng)網(wǎng)絡、主成分分析、遺傳算法以及時間序列的智能分析法分別建立地表最大沉降多參數(shù)預測模型以及地層地表沉降和水平位移歷時發(fā)展預測模型。應用傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡并聯(lián)合主成分分析(PCA)與遺傳算法(GA)兩種優(yōu)化方法建立地表最大沉降傳統(tǒng)BP、PCA-BP、GA-BP以及PAC-GA-BP四種多參數(shù)預測模型,實現(xiàn)對地表最大沉降的預測并綜合比較各模型預測效果;應用傳統(tǒng)ARMA時間序列模型和非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(NARNN與NARXNN模型)模型實現(xiàn)對測點的地表沉降與水平位移歷時發(fā)展規(guī)律預測,并綜合評價三種預測模型預測效果。(4)基于遺傳算法極值尋優(yōu)功能建立不同地層條件各盾構標準段盾構施工參數(shù)極值尋優(yōu)模型,獲取盾構施工參數(shù)控制值,并提出盾構施工地層變形主要控制措施。應用遺傳算法極值尋優(yōu)功能獲取了不同地層條件下盾構施工參數(shù)的控制值,并與實際統(tǒng)計的各標準區(qū)段盾構施工參數(shù)均值對比分析,說明所獲取控制值的合理性,并聯(lián)合盾構參數(shù)理論計算值和相應的安全系數(shù)設定可確定盾構施工參數(shù)安全建議取值區(qū)間,對于實際工程具有重要指導意義。同時總結盾構施工地層發(fā)生變形的主要影響因素,提出通過在盾構施工參數(shù)控制、主動輔助工法控制以及信息化管理控制三個方面采取相應的措施,可實現(xiàn)盾構施工中對于地層響應的有效控制。
【圖文】：

區(qū)域分布,區(qū)域分布,隧道開挖,擾動區(qū)

隧道臨空范圍內(nèi)發(fā)生變形和移動，進而引起土體的松動和塌落，最終致使土體產(chǎn)逡逑生下沉位移，該片施工擾動區(qū)域即為隧道掘進過程中形成的卸荷擾動區(qū)③、④，逡逑具體各擾動區(qū)域沿隧道周邊的分布范圍如下圖１－２所示：逡逑＂／邐Ａ－Ａ剖面逡逑上卸荷擾動區(qū)③邐ｆ邐５邐，逡逑邐－／＾邋４５邐＼上卸荷擾動區(qū)③邋／逡逑一．一？邋一邋？邋一邋？邐？邋—擠＼邐／逡逑１／邋ｊ〔邐邋下卸荷擾動Ｒ④邐下卸荷擾動Ｒ④逡逑下卸荷擾動區(qū)＼邋＼逡逑剪切擾動區(qū)②邐＼邐剪切擾動Ｒ②逡逑圖１－２隧道開挖地層擾動區(qū)域分布圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｇｒｏｕｎｄ邋ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ邋ａｒｅａ邋ｉｎ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ逡逑一般可以將盾構隧道開挖所引起的地層地表位移沿著隧道前進方向，按照時逡逑間效應關系分為五個不同的區(qū)段來進行研究分析［４６１：邋（１）段為初始先行沉降段，逡逑該區(qū)段內(nèi)土體出現(xiàn)沉降的主要原因是由于盾構前方土體受到擠壓而變密，孔隙水逡逑壓減少，進而致使土體出現(xiàn)固結變形；（２）段為盾構工作面前方的土體沉降（或逡逑隆起）段，該段的沉降（或隆起）變形主要是依據(jù)開挖面工作壓力值的施加而定，逡逑開挖面工作壓力的施加會引起孔隙水壓力和土層總有效應力的增加，進而使土體逡逑產(chǎn)生彈塑性變形

分布圖,隧道開挖,分布圖,擾動區(qū)