盾构法平行隧道施工引起的地面沉降及隧道相互影响机理与控制研究

摘要

大部分地铁区间都是往返区间，很多时候需要修建双线隧道。而平行隧道形式是最常见的双线隧道形式。由于工期、造价以及后勤等方面的限制，目前双线隧道一般采取分开开挖的方式施工。这意味着两条隧道施工存在一定的时间间隔，第二条隧道开挖时，第一条隧道将被当成既有结构物。所以，如何在第二条隧道施工时，确保第一条隧道的安全是修建双线隧道时需要解决的第一个关键问题。双线隧道并非同时开挖，近距离平行隧道相继施工引起的土体变形势必与两个单条隧道独立施工引起变形有所不同，进而附近结构和设施的沉降亦有所不同。因此，如何有效的预测两隧道连续施工引起的土体变形是修建双线隧道时另一个要考虑的关键问题。本文主要就以上两方面的关键问题开展研究，内容分为三个部分：
　　第一部分主要就单条隧道施工引起的土体变形展开研究。研究手段为物理模型试验。试验中设计了模型盾构机，尽可能多的考虑了真实盾构机的工作原理。总的来说，试验可以分成两类：坍塌试验（ATs）和掘进试验（CTs），分别研究开挖面坍塌的灾害情况和盾构机正常掘进情况。多组重复试验数据规律基本一致，可以用来定性表述土体位移场特点。随后，为了解释试验观测到的土体响应，采用了耦合的欧拉拉格朗日方法（CEL）进行数值模拟。CEL方法在模拟极端大变形问题时具有常规拉格朗日方法所不具备的优势，但却不能直接提供土体位移场输出。为了解决这一难题，本文发展了一种“跟踪盘”的方法，通过在欧拉土体域内设置跟踪盘，获得了土体的位移场。计算结果与实测规律基本一致，证明该方法有效可靠。由此，获得了土体位移场（包括水平位移场和竖向位移场），单条盾构隧道开挖对土体的扰动机理也得以明确。
　　第二部分主要介绍了一个软土地区近距离平行隧道工程。工程中采用了一系列加固措施保护先行隧道，管片变形监测数据齐全，可作为加固措施研究的典型案例。后续隧道在施工时，考虑了第一部分中单条隧道施工对土体的扰动机制，针对性的采用将盾构机的土仓压力严格控制在埋深位置处静止土压力以下的施工方案。然而实测结果表明，后施工隧道的盾构开挖面接近但尚未到达先行隧道上设置的观测点时，观测点所在的既有隧道管片仍然受到来自新隧道方向的挤压。为了解释这一反常现象，建立了三维有限元模型，精细的模拟了双线盾构隧道施工全过程。在数值模型计算值与场地实测值规律一致，在此基础上首次提出了水平应力拱效应的概念，较好的解释了小间距平行隧道之后续隧道施工对先行隧道的影响机理。以此为基础，进一步定量评价了各种控制后续隧道施工对先行隧道影响的加固措施。
　　第三部分针对伦敦大学城市学院Sam Divall等人的离心机模型试验展开了数值模拟研究，旨在解释双线平行隧道连续施工时引起的土体变形行为。遵循着由简入繁的原则，数值模型分别采用了修正剑桥本构和三面动态硬化本构进行模拟分析。结果表明修正剑桥模型由于屈服面内弹性假设的缘故，会明显低估隧道周围土体应力变化，计算结果不能够反映试验发现的规律。相反，三面动态硬化模型能够在多阶段模拟中应力路径方向反转时引入高刚度，可以确保隧道周围集中的、与试验结果一致的应力响应。更重要的是，由于三面动态硬化模型本身就是为了考虑应力历史影响而提出的，因此，在分析后续隧道施工引起的地表沉降时，可以考虑先行隧道开挖造成的后续隧道周围土体刚度的变化，从而能够在根本上解释双线平行隧道连续开挖时后续隧道施工引起附加沉降的原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2研究现状综述

1.3本文主要工作

第2章 单条盾构隧道施工引起的土体变形

2.1概述

2.2本文工作及创新

2.3模型试验

2.4 耦合的欧拉拉格朗日分析（CEL）

2.5 结果分析

2.6关于1g下加压模型的讨论

2.7本章小结

第3章 盾构法平行隧道施工中先建隧道的变形及保护对策

3.1概述

3.2本文工作及创新

3.3加固措施

3.4场地条件

3.5数值模型

3.6既有隧道水平变形

3.7加固措施有效性评估

3.8本章小结

第4章 双线平行隧道连续施工引起的土体变形

4.1概述

4.2本文工作及创新

4.3离心机试验和数值模拟

4.4 3-SKH本构模型

4.5地表沉降计算值与实测值的比较

4.6 MCC本构在预测双线隧道相继开挖问题中的不足

4.7基于3-SKH模型框架下的离心机试验现象解释

4.8本章小结

第5章 结论及展望

5.1主要结论

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢