西安地铁隧道下穿城墙段盾构施工引起的地表沉降研究

摘要

近几年来，我国经济建设高速发展，城市化建设步伐逐渐加快，城市人口密度的不断增加，许多大城市都面临着日益严重的人口膨胀、交通拥挤等一系列问题，有序、合理、综合、高效地开发利用地下空间成为一条非常有效的解决途径。在城市地铁工程的修建中，盾构法隧道施工技术以其独有的智能化、安全、快捷等特点与优势，越来越得到广泛的推广和应用。目前西安已经迎来了一个城市轨道交通建设的高峰期，筹划建设和正在投入建设的有地铁一、二、三、四、五、六号线，全长达200多公里，其中一、二、四、六号线均下穿城墙、护城河以及附近的古建筑物。而隧道施工引起的地层位移和地面沉陷及建筑物开裂、损坏等问题己经成为隧道建设者、设计者和施工者最为关心的环境问题与工程问题，尤其对于古城西安，目前在建的地铁2号线下穿历史悠久的古城墙、钟楼等重点保护文物，如果在施工过程中引起建筑物的沉陷将会给社会造成巨大的损失。所以对西安地铁盾构施工过程中引起的地表沉降规律进行研究具有重要的实际意义。
　　 本文对西安地铁施工引起的地表沉降的影响因素进行了初步探讨，对其沉降规律进行了初步研究。系统地总结了盾构施工引起地表沉降的机理。因西安地铁所处环境的特殊性，黄土参数的复杂性，目前对黄土地区修建地铁的研究还很少涉及。本文结合黄土地区的特殊性，从黄土特性的角度进行研究。盾构隧道施工对周围地层产生扰动，从而引发地层位移，并主要表现为地表沉降。根据有关勘测资料，利用大型有限元通用软件ANSYS对西安地铁2号线工程施工过程进行了三维有限元动态施工模拟，得出了计算沉降曲线，结合现场地质条件、设计情况及施工参数等分析了隧道盾构法施工引起的地表沉降的一般规律和影响地表沉降量值大小的因素，分析了黄土的工程特性和变形规律。并通过与现场实测值的比较，验证了数值模拟结果的可靠性和数值模拟预测地表沉降的可行性。通过对几种方案的比选提出了对城墙地基的加固措施。对今后西安地铁的合理设计和施工都有一定的参考价值。

目录

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摘要

1.绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 经验公式法

1.2.2 理论分析方法

1.2.3 数值模拟分析方法

1.2.4 模型试验方法

1.3 本文主要研究内容

2 盾构法施工引起地表沉降的理论研究

2.1 盾构法施工原理

2.1.1 盾构法概述

2.1.2 盾构法施工的主要步骤

2.1.3 盾构机主要技术参数

2.2 地表沉降的机理研究

2.2.1 地表沉降的影响因素分析

2.2.2 横向地表沉降

2.2.3 纵向地层沉降

2.3 地表沉降的影响范围

2.3.1 盾构施工对土体的扰动机理与扰动土体分区

2.3.2 盾构施工对土体的扰动形式

2.3.3 盾构施工对土体的扰动特征

2.4 本章小结

3 土体的本构模型及黄土的性质分析

3.1 初始地应力

3.2 土体的本构模型

3.2.1 弹性类模型

3.2.2 理想弹-塑性模型

3.2.3 硬化类弹塑性模型

3.2.4 小应变模型

3.3 黄土的工程特性以及变形特征

3.3.1 黄土的工程特性

3.3.2 黄土的湿陷性

3.3.3 适合黄土地层的盾构施工

3.3.4 黄土本构模型的研究

3.4 本章小结

4 地铁隧道下穿城墙段盾构施工引起地表沉降的数值模拟

4.1 ANSYS软件简介

4.1.1 地铁隧道开挖中应力重塑问题

4.1.2 用ANSYS软件对岩土工程进行有限元分析的优越性

4.2 西安地铁隧道下穿城墙段工程概况

4.2.1 工程简介

4.2.2 工程地质概况

4.2.3 水文地质概况

4.3 模型的建立

4.3.1 有限元模型计算有关假定

4.3.2 荷载的模拟

4.3.3 三维有限元模型的建立

4.4 盾构施工的数值模拟

4.4.1 横向沉降的数值模拟

4.4.2 纵向地表沉降模拟

4.5 本章小结

5 对隧道穿越区域古城墙加固保护措施的探讨

5.1 地基加固常用的几种方法

5.2 本工程地基加固措施

5.2.1 加固措施

5.2.1 钻孔灌注桩施工工艺

5.3 盾构掘进的参数优化

5.4 动态监测与信息化施工

5.5 沉降量超限应急预案

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文研究的主要成果与结论

6.2 展望

致谢

参考文献