地铁盾构同步注浆对地表沉降的影响规律及机理研究

摘要

盾构隧道施工中壁后注浆至关重要，通过研究其对地表沉降的影响规律及特征机理可为地铁的安全高效建设提供一定的参考依据。现有大部分研究均是单独分析各注浆参数如注浆量、注浆压力、注浆材料等影响地层变形或应力，并未分析多因素调整条件下地层变形规律。同时，由于太原市特有的工程地质和水文地质条件，在地铁隧道施工时，更应加强壁后注浆对地层变形以及土体位移的影响研究。
　　本文以太原市地铁二号线一期工程中心街西站——南中环街站为背景，以理论分析和数值模拟为主要研究方法，研究盾构隧道施工过程中土层应力及稳态，结果表明：在隧道开挖面出现应力集中现象,隧道开挖引起周围一定范围土体和地表土层的剪切破坏；随着盾构的推进，隧道周围土体发生失稳破坏的范围变化较小，而地表塑性屈服范围逐步向两侧扩展；
　　利用FLAC3D模拟盾构隧道施工时采用刚度迁移法，揭示隧道开挖完成后横向、轴向地表沉降及管片位移规律：横向地表沉降呈对称“凹槽”型，隧道轴线上部地层沉降最显著，地层变形量随距轴线距离的增大而减小，直至一定范围之后趋于稳定，其主要影响区域为距隧道轴线20m处（约3D）；轴向地表沉降沿隧道推进方向变化相对较小，且盾构推进过程中，轴向地表沉降呈“S”型曲线；管片变形整体呈顶部管片下沉、底部管片上浮、左右侧管片产生远离隧道轴线的位移；
　　从横向、轴向地表沉降及管片位移对考虑与不考虑浆体凝固进行对比研究，两者差异显著，表明在利用数值模拟软件模拟盾构施工全过程时，刚度迁移法的运用是必不可少的；
　　分别研究注浆量、注浆压力、注浆材料弹性模量、泊松比对横向、轴向地表变形以及管片位移的影响规律：注浆参数的增大均能有效控制横向、轴向地表沉降及顶部管片的下沉；而底部管片上浮及左右侧管片位移均随注浆参数的增大而增大；注浆参数对于管环位移影响显著性均为：底部管片上浮>顶部管片下沉>右侧管片侧移；
　　综合分析各注浆参数对横向、轴向地表沉降及管片各关键部位的位移影响，注浆量不宜超过150％；注浆压力宜取0.35-0.45MPa；注浆材料弹性模量取值为1.0-1.5MPa，泊松比不宜超过0.3；
　　在此基础上，以横向最大地表沉降、轴向最大地表沉降以及底部管片上浮为指标，利用正交试验综合分析注浆参数对隧道及地表变形的影响，采用多元回归方法得到隧道及地表变形与各注浆参数间的相关规律：利用正交试验分析壁后注浆注浆量（A）、注浆压力（B）、注浆材料弹性模量（C）、泊松比（D）对地表沉降的影响显著性为：横向和轴向地表沉降以及底部管片的上浮均为A＞C＞D＞B；
　　利用数值模拟将注浆层划分为上下两部分，研究不均匀注浆对于地表沉降及管片位移的影响，为后续工程施工提供参考依据。结果表明：不均匀注浆不影响地表沉降及管片整体变形规律；不均匀超注浆和注浆压力“上小下大”对地表沉降有所控制；不均匀注浆呈“上小下大”时会加剧底部管片的上浮。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 拟解决的科学问题

1.4研究的主要内容

第二章 地铁盾构壁后注浆影响地表沉降的机理研究

2.1 盾构法的介绍

2.2 盾构诱发地表沉降阶段性分析

2.3 盾构壁后注浆机理分析

2.4 盾构施工引起地表变形量的控制标准

2.5 本章小结

第三章 基于刚度迁移法的盾构施工过程的数值模拟研究

3.1 工程概况

3.2 区间盾构施工刚度迁移法的分析

3.3 利用刚度迁移法模拟地铁盾构施工

3.4 数值模拟结果分析

3.5 不考虑浆体硬化过程的数值模拟研究

3.6 本章小结

第四章 注浆参数影响地表沉降的正交试验研究

4.1 注浆量影响地表沉降研究

4.2 注浆压力影响地表沉降研究

4.3 注浆材料对地表沉降影响规律研究

4.4 正交试验设计

4.5 正交试验结果分析

4.6 本章小结

第五章 不均匀注浆条件下注浆参数对地表沉降影响规律的研究

5.1 盾构施工不均匀注浆分析

5.2 不均匀注浆量影响地表沉降研究

5.3 不均匀注浆压力影响地表沉降研究

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文