發(fā)布時(shí)間：2016-08-01 07:44

第1章 緒論 

1.1 引言 
隨著國(guó)內(nèi)城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市化水平越來(lái)越高，城市人口越來(lái)越多，引起城市交通擁堵、空間擁擠、環(huán)境污染、基礎(chǔ)設(shè)施落后等一系列問(wèn)題，這使得城市中有限的地面空間變得越來(lái)越擁擠。城市集約化和效率的要求越來(lái)越高在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中。在經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家大中城市里，地鐵已然成為緩解城市交通客流壓力的主要交通 工具之一。修建地鐵隧道和大型地下停車(chē)場(chǎng)等城市基礎(chǔ)設(shè)施能較好地分擔(dān)路面交通壓力，地下空間的開(kāi)發(fā)利用在本世紀(jì)將得到前所未有的重視。許多城市已經(jīng)注意到了這些問(wèn)題并且積極努力開(kāi)發(fā)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的地下空間[1-3]。從上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量迅猛增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張步伐的提速，北京、上海、廣州等中國(guó)特大城市地面交通持續(xù)高負(fù)荷增長(zhǎng)，給廣大群眾日常出行帶來(lái)了巨大壓力。因此修建地下鐵道已成為解決交通客流 壓力的路徑之一，應(yīng)用盾構(gòu)法建設(shè)地鐵隧 道在北京、上海、廣州等城市與日俱增。隨著盾構(gòu)國(guó)產(chǎn)化的普及使用，地鐵在鄭州、濟(jì)南、武漢、蘭州、沈陽(yáng)、杭州、哈爾濱、成都、長(zhǎng)沙等 20 多個(gè)城市也正在積極建設(shè)或籌建之中，未來(lái)盾構(gòu)施工掘進(jìn)技術(shù)將會(huì)得到史無(wú)前例地繁榮發(fā)展[5]。 鄭州市作為國(guó)內(nèi)中部地區(qū)的大型城市之一，城市交通和生活用地緊張的矛盾日益嚴(yán)重，為改善城市交通環(huán)境、提高城市公共交通的服務(wù)，大力發(fā)展鄭州地鐵隧道建設(shè)已勢(shì)在必行�！多嵵菔谐鞘熊壍澜煌ń诮ㄔO(shè)規(guī)劃》指出預(yù)計(jì)到 2020 年，建設(shè)完成 1 號(hào)線二期工程、2 號(hào)線二期工程、3 號(hào)線一期工程、4 號(hào)線、5 號(hào)線，全長(zhǎng) 120.7 公里，至此共形成 5 條運(yùn)營(yíng)線路、總長(zhǎng) 166.9 公里的軌道交通網(wǎng)絡(luò)（如圖 1）。廣泛運(yùn)用到城市地鐵修建的盾構(gòu)法施工具有對(duì)地層擾動(dòng)小、外界影響小、施工效率高、施工質(zhì)量可靠、施工過(guò)程安全以及與環(huán)境間相互影響小等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)明顯比傳統(tǒng)的明挖法和暗挖法好的多[6]。
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1.2 盾構(gòu)隧道引起地表沉降研究現(xiàn)狀

降問(wèn)題的研究已形成了多種研究理論和方法。主要有：經(jīng)驗(yàn)法、解析法、模型試驗(yàn)法 、數(shù)值分析法以及其他預(yù)測(cè)方法等。 盾構(gòu)隧道是處于各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中的地下結(jié)構(gòu)物，在施工的過(guò)程中必然受到周?chē)刭|(zhì)環(huán)境的強(qiáng)烈影響。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究指出[8-9]，盾構(gòu)隧道引起地表沉降主要原因是在施工中的地層損失和擾動(dòng)土體受力變形、固結(jié)沉降。盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)上覆土體產(chǎn)生擾動(dòng)，土體損失、周?chē)紫端畨鹤兓耙r砌變形等會(huì)使得土體的原始應(yīng)出現(xiàn)重新分布，破壞原有的土體平衡狀態(tài)，使得地表發(fā)生水平移動(dòng)、下沉變形、傾斜及非連續(xù)變形。地層變形較大會(huì)引起臨近建筑物的沉降、開(kāi)裂和傾斜。對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)土層及臨近建筑物的影響進(jìn)行探討和總結(jié)是很有必要的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量的工作。目前為止，對(duì)于沉經(jīng)驗(yàn)法主要是根據(jù)地表隧道開(kāi)挖后地表沉降槽的形狀，采用一定的曲線形式表示，再根據(jù)地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果或己有的資料，確定曲線的具體特征參數(shù)，在地表最大沉陷量和沉陷分布進(jìn)行理論上和經(jīng)驗(yàn)上的推斷。美國(guó) R.B.Peck(1969)[10]通過(guò)對(duì)隧道地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出了地表沉降曲線近似呈概率正態(tài)分布曲線的概念，認(rèn)為施工引起的地表沉降是在不排水的條件下由地層損失所引起，地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。 

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第2章 盾構(gòu)隧道沉降的基本理論分析 

2.1 盾構(gòu)法簡(jiǎn)介 
盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展和使用已將近二百余年，英國(guó)人開(kāi)創(chuàng)了盾構(gòu)機(jī)穿越河道的先例。隨后美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、以及前蘇聯(lián)相繼使用盾構(gòu)技術(shù)，并加以改進(jìn)。初期的盾構(gòu)施工，只注重了掘進(jìn)效率上，而忽略了開(kāi)挖面的穩(wěn)定。日本在開(kāi)發(fā)研究盾構(gòu)施工時(shí)，更加關(guān)注開(kāi)挖面的穩(wěn)定問(wèn)題，，發(fā)明了多種形式的閉胸式盾構(gòu)，在城市地下隧道中得到廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)，盾構(gòu)施工的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市軌道交通的興起，許多城市利用盾構(gòu)法已經(jīng)修建了地鐵隧道。雖然盾構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛，但是核心技術(shù)還處于落后階段。未來(lái)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：盾構(gòu)機(jī)能適應(yīng)開(kāi)挖斷面的多樣化，管片的 拼裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及智能化，整個(gè)施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能化的人工控制，盾構(gòu)掘進(jìn)效率、穩(wěn)定性以及安全性大幅提高。 盾構(gòu)法擁有自動(dòng)化程度高、對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小、施工優(yōu)質(zhì)高效等優(yōu)點(diǎn)，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水位高等情況下具有明顯的優(yōu)勢(shì)。盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧道軸線邊向前掘進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。這個(gè)圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對(duì)挖掘出還未襯砌的隧道段起著臨時(shí)支撐的作用，承受周?chē)翆拥膲毫�，有時(shí)還承受地下水壓 。挖掘、出土、襯砌等作業(yè)均在護(hù)盾的保護(hù)下進(jìn)行。盾尾末端一般設(shè)有盾尾密封裝置，它是用來(lái)防止水、土體以及注漿材料從盾尾空隙中進(jìn)入到盾構(gòu)內(nèi)，造成對(duì)盾構(gòu)建筑空隙填充不密實(shí)，土體沉降。盾尾密封對(duì)材料具有很高的要求，一般應(yīng)具有耐磨、耐壓、易更換等條件。 盾構(gòu)的前進(jìn)主要依靠推進(jìn)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要是指布置于盾構(gòu)內(nèi)周的一圈千斤頂，盾構(gòu)前進(jìn)中的主要推力就是由它來(lái)提供的，所以千斤頂在設(shè)計(jì)必須注意其本身的強(qiáng)度是否足夠。在千斤頂設(shè)計(jì)中，切削刀盤(pán)的總扭矩和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的總推力是其基本依據(jù)。 
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2.2 盾構(gòu)施工對(duì)地層的影響
盾構(gòu)施工改變了原有地層的初始平衡條件，引起土體的應(yīng)力重分布，使土體受到擾動(dòng)發(fā)生變形。城市中各種建筑物密集，地下管道交織在一起，盾構(gòu)施工過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致鄰近建筑物等產(chǎn)生變形、沉降或變位。當(dāng)沉降過(guò)大時(shí)，有可能會(huì)危及到鄰近建筑物等的安全使用。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，開(kāi)挖面 土體受到的來(lái)自刀盤(pán)的支撐力小于土體原始側(cè)向應(yīng)力，則
開(kāi)挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地表沉降；當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，若作用在刀盤(pán)前土體的推力大于原始側(cè)向應(yīng)力，則正面土體向上向前移動(dòng)，引起地層損失(欠挖)而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方土隆起。2.由于盾構(gòu)機(jī)前方土體的支撐力是通過(guò)盾尾千斤頂實(shí)現(xiàn)的，隨著停機(jī)時(shí)間的增加，千斤頂不可避免的發(fā)生回油，推力逐 漸減小，使 開(kāi)挖面土體坍落或松動(dòng)，造成地層損失 。3.盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)外圍有建筑空隙，若注漿不及時(shí)，注漿壓力不夠或注漿量不足，都可能造成盾構(gòu)周?chē)馏w失去原始平衡狀態(tài)，發(fā)生移動(dòng)，造成土層損失。4.盾構(gòu)在開(kāi)挖隧道過(guò)程中偏離設(shè) 計(jì)軸線，需要進(jìn) 行糾正推進(jìn)，實(shí)際開(kāi)挖斷面不是圓形而是橢圓，因此易引起地層損失。盾構(gòu)軸線與隧道軸線的偏角越大則對(duì)土體擾動(dòng)超挖程度及引起的地層損失也越大[48]。 
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第 3 章  盾構(gòu)穿越民用建筑的沉降分析 ...... 27 
3.1  工程概況 ............ 27 
3.1.1  工程簡(jiǎn)介 ..... 27 
3.1.2  工程地質(zhì)條件 ...... 28 
3.2  沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)點(diǎn)分布 ........... 30 
3.3  盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)及沉降結(jié)果分析 ........ 32 
3.3.1  盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù) ........ 32 
3.3.2  施工中盾構(gòu)參數(shù)與沉降結(jié)果分析 ........... 34 
3.4  本章小結(jié) ............ 36 
第 4 章  盾構(gòu)隧道下穿建筑物的數(shù)值模擬分析 .... 37 
4.1  ABAQUS 在隧道開(kāi)挖中的應(yīng)用 ..... 37 
4.1.1  ABAQUS 簡(jiǎn)介 ...... 37 
4.1.2  ABAQUS 模擬盾構(gòu)施工的基本原理 ...... 37 
4.1.3  盾尾特殊部分處理 ........ 38 
4.2  隧道開(kāi)挖模型的建立 .......... 40
4.3  開(kāi)挖過(guò)程的模擬 ......... 46 
4.3.1  初始地應(yīng)力平衡 ............ 46 
4.3.2  盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程 ....... 46 
4.4  模擬結(jié)果分析 .... 47
4.5  本章小結(jié) ............ 53 
第 5 章  改變不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果分析及左線沉降預(yù)測(cè) ...... 54
5.1  不同條件下的沉降結(jié)果分析 ....... 54 
5.2  正常施工質(zhì)量下左線開(kāi)挖沉降結(jié)果預(yù)測(cè) ..... 64 
5.3  本章小結(jié) ............ 68 

第5章 改變不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果分析及左線沉降預(yù)測(cè) 

5.1 不同條件下的沉降結(jié)果分析
盾構(gòu)施工參數(shù)的差異性會(huì)造成地表沉降的變化，為了更好的指導(dǎo)類(lèi)似工程的施工，在第四章軟件模型的基礎(chǔ)上，改變不同的參數(shù)和施工方式等，分析不同的施工條件下，盾構(gòu)施工對(duì)房屋的沉降影響。 在第四章分析中采用正常施工質(zhì)量，等代層彈性模量為 30MPa。結(jié)果表明，單線施工狀況下，盾構(gòu)隊(duì)土體的擾動(dòng)范圍有限，建筑物的沉降較小。當(dāng)盾構(gòu)穿越建筑物后，建筑物的沉降整體上趨向于穩(wěn)定。本章將通過(guò)改變等代層的彈性模量，把較差施工質(zhì)量，正常施工質(zhì)量，理想施工質(zhì)量，再加上雙線隧道在正常施工質(zhì)量下同時(shí)開(kāi)挖的情況，進(jìn)行對(duì)比綜合分析。在以上四種條件下，等代層的彈性模量分別為 8MPa、30MPa、60MPa、30MPa（雙線），分別稱(chēng)為：條件一，條件二， 工況三，條件四。在盾構(gòu)即將進(jìn)入建筑物下部時(shí)，建筑物受力變形不是很明顯，受到較大擾動(dòng)的土體僅限于起始端 20m 范圍。不同條件的數(shù)據(jù)說(shuō)明，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量條件一最大，條件三最��；條件二小于條件四。沉降量最大的測(cè)點(diǎn)是 a 點(diǎn)，條件一~四的 a 測(cè)點(diǎn)的沉降值分別為：-0.003528m、-0.002670m、-0.001905m、-0.002991m。距離開(kāi)挖面較近的測(cè)點(diǎn)沉降明顯，距離遠(yuǎn)的及被建筑物影響到的測(cè)點(diǎn)沉降量較小。f 測(cè)點(diǎn)還有隆起現(xiàn)象，這與房屋模型整體受力，作用在土體表面上，部分單元在不均勻沉降情況下受拉變形有關(guān)。從條件二來(lái)看，a 測(cè)點(diǎn)沉降最大達(dá)到-0.003528m，b、c、d、e 測(cè)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生較大沉降，f測(cè)點(diǎn)沉降量為正值，此點(diǎn)所處單元位移變形有待進(jìn)一步考證，g 測(cè)點(diǎn)位于未開(kāi)挖的 2 號(hào)隧道與建筑物的交叉點(diǎn)，受到的土體移動(dòng)影響比較大�？傮w來(lái)說(shuō)各個(gè)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生較大的沉降量。 
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結(jié)論 

本文以鄭州地鐵 5 號(hào)線，土建施工 12 標(biāo)段土壓平衡盾構(gòu)施工區(qū)間為工程背景，從盾構(gòu)下穿民用住宅的角度，分析了影響地表建筑物沉降的主要因素。在盾構(gòu)施工的不同階段，收集盾構(gòu)施工參數(shù)，施工段地質(zhì)條件，地表建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各參數(shù)在施工中變化規(guī)律以及對(duì)地表沉降的影響。采用 ABAQUS 有限元軟件建立三維盾構(gòu)開(kāi)挖模型，先分析右線開(kāi)挖過(guò)程中建筑物的沉降，獲得沉降曲線圖，然后與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。最后改變施工參數(shù)，采用不同的施工質(zhì)量對(duì)比分析建筑物的沉降變形情況，以及獲得在正常施工質(zhì)量情況下左線開(kāi)挖的沉降數(shù)據(jù)，用以預(yù)測(cè)施工過(guò)程中沉降量較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論： 
1、盾構(gòu)機(jī)在城市區(qū)域施工中，難免會(huì) 遇到下穿建筑物的情況。針對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)的施工特點(diǎn)，在下穿或側(cè)穿建筑物的施工中，可將盾構(gòu)施工對(duì)于建筑物的影響分為三階段進(jìn)行分析研究。 
2、在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)推進(jìn)速度，土倉(cāng)壓力，出土量，同步注漿量和二次補(bǔ)漿量，注漿壓力等參數(shù)是直接影響地面沉降的主要因素。 
3、在盾構(gòu)機(jī)右線下穿建筑物施工中，建筑物的沉降控制較好，只出現(xiàn)一次險(xiǎn)情；建筑物整體上，東北邊角下沉比西南邊角大；建筑物高度較低，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜的狀態(tài)。 
4、有限元軟件模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩者的曲線圖整體走向相似，說(shuō)明模型比較成功，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行左線開(kāi)挖的預(yù)測(cè)。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：80156