【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(kuò)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(wèn)題與施工問(wèn)題。而且地鐵隧道一般埋深很淺,對(duì)開(kāi)挖擾動(dòng)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(shí),若不采取相應(yīng)控制與保護(hù)措施,將會(huì)對(duì)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(huì)引起周圍地層的土體擾動(dòng),從而對(duì)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(guò)既有隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,就會(huì)造成隧道管片錯(cuò)位、開(kāi)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(shí),既有隧道的結(jié)構(gòu)變形會(huì)引起周圍土層擾動(dòng)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(wèn)題,已經(jīng)引起了巖土工程界的廣泛關(guān)注。由此可見(jiàn),對(duì)地鐵盾構(gòu)近接既有隧道施工時(shí)的力學(xué)機(jī)理及相互影響的研究顯得尤為重要。雖然在這方面,國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究,但是對(duì)盾構(gòu)近接施工的力學(xué)機(jī)理的研究還不夠深入,特別是針對(duì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)則更為欠缺,而且缺少對(duì)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(duì)城市地鐵近接施工的力學(xué)機(jī)理及控制措施展開(kāi)相關(guān)方面的研究有著重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。蘇州市軌道交通4號(hào)線是城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)線路之一,采用盾構(gòu)法施工,按照先獨(dú)立施工完右行線再施工左行線的方式進(jìn)行地鐵隧道開(kāi)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(qiáng)影響范圍,由此可見(jiàn)施工期間后行洞對(duì)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(lái)的地而過(guò)大變形,以及后行隧道施工對(duì)先行隧道產(chǎn)生的過(guò)大應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題是工程建設(shè)亟待解決的重要問(wèn)題。在上述工程背景條件下,論文以蘇州市軌道交通4號(hào)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(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)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(duì)不同的區(qū)域采取不同的盾構(gòu)施工控制措施以維護(hù)先行隧道的穩(wěn)定,為地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及類似工程提供指導(dǎo)與參考。論文首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(duì)區(qū)間代表性土體進(jìn)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(jì)算提出了此條件下的盾構(gòu)匹配參數(shù)。從理論上進(jìn)行了盾構(gòu)隧道近接施工的共同作用機(jī)理與應(yīng)力應(yīng)變分析。同時(shí),結(jié)合三維數(shù)值模擬軟件ABAQUS對(duì)后行洞近接施工通過(guò)先行洞監(jiān)測(cè)斷面時(shí)以及通過(guò)先行洞監(jiān)測(cè)斷面后的各種工況進(jìn)行模擬和計(jì)算,并得出相應(yīng)的結(jié)論。采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段獲得了盾構(gòu)施工過(guò)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(guò)對(duì)數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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?jī)?nèi)容及結(jié)論包括：(1)對(duì)研究區(qū)的土體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣,并進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn),分析得出研究區(qū)域土體的物理特性以及抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)。通過(guò)物理特性試驗(yàn)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(dòng)性,且比較均質(zhì),不含砂土、鵝卵石等。結(jié)合土體的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn),確定了土體在累積逐級(jí)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(qiáng)度試驗(yàn),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(qiáng)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(qiáng)度變化最大。通過(guò)土體壓縮-卸荷-壓縮循環(huán)試驗(yàn)和壓縮-卸荷-剪切循環(huán)試驗(yàn),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(guò)壓縮-卸荷-壓縮循環(huán)試驗(yàn)的土樣的壓縮性得到降低,變形減小,抗剪強(qiáng)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(jí)配與地下水壓特征,從環(huán)保經(jīng)濟(jì)高效的角度,確定了采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)最為合理。通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗(yàn),確定了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的主要工作參數(shù),包括平衡壓力、掘進(jìn)推力、刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、出土量及注漿參數(shù)等。(3)通過(guò)對(duì)盾構(gòu)單洞施工的力學(xué)分析,得出盾構(gòu)施工對(duì)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(dòng)區(qū)域。根據(jù)盾構(gòu)單洞施工開(kāi)挖支護(hù)后地層的位移分析,認(rèn)為支護(hù)對(duì)控制土體變形具有重要作用。針對(duì)蘇州地鐵近接施工進(jìn)行施工力學(xué)機(jī)理分析,確定了后行隧道施工對(duì)先行隧道的影響也是一個(gè)擠壓-剪切-卸荷的過(guò)程。(4)通過(guò)盾構(gòu)施工過(guò)程力學(xué)分析,將后行洞開(kāi)挖引起的作用于先行洞的附加應(yīng)力簡(jiǎn)化為水土壓力及推進(jìn)力分力之和,建立了盾構(gòu)機(jī)通過(guò)先行隧道監(jiān)測(cè)斷面時(shí)的二維分析模型,在左邊界施加計(jì)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(shuō)明計(jì)算得到的土壓平衡力是合理的。(5)后行洞工作而到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí),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(duì)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(diǎn),變形量超出10mm。當(dāng)推擠力為0.72MPa時(shí),監(jiān)測(cè)斷而的應(yīng)力與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(guò)先行洞后的三維數(shù)值分析模型,分析了后行洞通過(guò)先行洞監(jiān)測(cè)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(jì)算表明：近接施工中,后行隧道對(duì)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(zhǎng)方向環(huán)向應(yīng)力呈現(xiàn)波動(dòng)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(yuǎn)離近接區(qū)域,管片變形差值大,在施工過(guò)程中應(yīng)控制施工條件保證施工的安全進(jìn)行。后行隧道施工時(shí),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(dòng)的趨勢(shì)。近接施工時(shí),后行隧道對(duì)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(kāi)挖完成后,右洞管片監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)最大位移為6mm,右側(cè)最小位移為1.5mm。(7)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)先行洞管片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：后行洞工作而遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷而時(shí),監(jiān)測(cè)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(yuǎn)離有減小的趨勢(shì),管片底部徑向應(yīng)力隨著工作而的遠(yuǎn)離有增大的趨勢(shì),而管片右拱腰處的徑向應(yīng)力幾乎不隨著隧道的掘進(jìn)產(chǎn)生變化。隨著后行洞盾構(gòu)的掘進(jìn),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(shì)。左洞開(kāi)挖對(duì)右洞管片水平位置處的應(yīng)力影響較為復(fù)雜,對(duì)其沿周長(zhǎng)方向環(huán)向應(yīng)力呈波動(dòng)狀,軸向向應(yīng)力整體上呈減小的趨勢(shì)。(8)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地表位移監(jiān)測(cè)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(jī)到達(dá)C3、C4監(jiān)測(cè)斷面前,距離為5m時(shí),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(shuō)明盾構(gòu)施工參數(shù)不合理導(dǎo)致盾構(gòu)通過(guò)前周圍土體受擠壓作用,最終引起地表隆起；盾構(gòu)機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)30mm。這說(shuō)明盾構(gòu)施工過(guò)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(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋分析,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),提出了盾構(gòu)近接控制技術(shù)的基本準(zhǔn)則,對(duì)盾構(gòu)近接施工參數(shù)進(jìn)行了控制分析。分析盾構(gòu)機(jī)通過(guò)C3、C4監(jiān)測(cè)斷面前5m時(shí)隧道上方地表隆起變形機(jī)理得到,造成地表隆起的原因可能是土艙壓力或掘進(jìn)推力設(shè)置過(guò)大等。需要適當(dāng)減小土艙壓力或掘進(jìn)推力,可將土艙壓力進(jìn)行適當(dāng)減小0MPa～0.02MPa,而盾構(gòu)的推力則可考慮進(jìn)行適當(dāng)減小0kN～220.85kN。(10)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)30mm,分析發(fā)現(xiàn)是由于盾構(gòu)在同步注漿過(guò)程中的注漿量不足或者推進(jìn)速度過(guò)快等引起的,需要適當(dāng)增大注漿量或減小推進(jìn)速度。可以將注漿量動(dòng)態(tài)進(jìn)一步增加0～0.5m3/環(huán)之間,且應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及工期要求調(diào)整推進(jìn)速度。隧道在粉質(zhì)黏土掘進(jìn)過(guò)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(shì),俯仰角宜控制在3-5mm/m之間。同時(shí)盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)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(guò)大的問(wèn)題,應(yīng)立刻進(jìn)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(guò)大。本論文以蘇州市軌道交通4號(hào)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(jī)理,針對(duì)不同的控制采取不同的措施以維護(hù)隧道及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,為地鐵隧道順利施工及安全運(yùn)營(yíng)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(shí)踐應(yīng)用價(jià)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(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U455.43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2121427