地铁盾构施工中地表沉降的数值模拟研究

摘要

地铁工程施工环境复杂、技术要求很高，工程的关键环节是隧道施工。其中，盾构施工方法是隧道施工的主要方式。但在隧道盾构推进过程中，地层变形和地表沉降是不可避免的，大面积沉降将影响施工进度特别是邻近建筑物、构筑物和市政管线的安全。如何降低盾构施工对隧道周围土体的扰动、控制地表变形和沉降，对于实际工程应用具有重要意义。结合地层移动的时空效应理论，从盾构机前体与土体的相关作用入手，研究隧道盾构施工主要因素对地表沉降状况及变化趋势的影响，是论文研究的主要内容。
　　本文利用数值分析法建立西安地铁二号线钟楼～永宁门区段隧道开挖过程本构模型，通过FLAC3D有限差分程序的模拟计算，研究不同施工方案下覆土厚度、盾尾注浆强度、掘进压力、及管片刚度对地层变形的影响，获取地表沉降变化规律，为类似工程盾构施工提供借鉴和参考，减少和避免工程事故。具体从以下方面展开研究:
　　1)通过收集并阅读相关文献和资料，详细介绍盾构施工的基本原理及主要技术环节，依据地层移动的时空效应理论，阐述隧道盾构引起地表沉陷的原因与作用机理，总结归纳地层变形及地表沉降的主要影响因素。
　　2)对监测数据进行分析，又进一步的对横向地表沉降和纵向地表沉降进行了分析。依据选取隧道区间现场监测的几个断面数据绘出地表沉降的一般规律图。
　　3)以西安地铁二号线钟楼站～永宁门站盾构区间为背景，借助ANSYS有限元软件将不易量化的变量概括为均质、等厚的等代层，建立简化后的三维数值模拟计算模型。遵循正常隧道盾构施工工序，利用FLAC3D有限差分软件研究土压平衡盾构施工过程中地表沉降规律。最后，通过对比分析仿真计算结果与实际监测结果，判断软件模拟是否较好的反映隧道盾构实际中地层变形及地表沉降情况。
　　4)模拟计算不同覆土厚度、盾尾注浆强度、掘进压力及管片刚度下地表沉降曲线，通过对比同组沉降曲线特征，分析判断以上因素对地表沉降的影响规律。为减少类似工程背景方案的地层扰动，提供一定的参考和借鉴价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 经验公式法

1．2．2 解析法

1．2．3 模型试验法

1．2．4 数值分析法

1．3 研究现状评价

1．4 研究内容

2 盾构法施工地层变形与地表沉降理论分析

2．1 盾构工程施工技术和原理

2．1．1 盾构机及其施工原理

2．1．2 盾构法的主要技术环节

2．2 地层移动的时空效应理论

2．2．1 地层移动的时间效应

2．2．2 地层移动的空间效应

2．3 地层沉降曲线形成机理研究

2．3．1 地表沉降的成因

2．3．2 地层的纵向沉降

2．3．3 土体的横向沉降

2．4 盾构施工引起地层变形及地表沉降的主要因素

2．5 本章小结

3 监测结果及地表变形规律分析

3．1．2 工程地质概况

3．1．3 水文地质条件

3．2 盾构隧道监测原则及目的

3．2．1 监测原则

3．2．2 监测目的

3．3 监测数据分析

3．3．1 实测横向地表沉降分析

3．3．2 实测纵向地表沉降分析

3．4 本章小结

4 地表沉降数值模拟理论及建模

4．1 数值模拟在地下工程中的应用

4．2 FLAC3D概述

4．2．1 FLAC3D基本原理

4．2．2 FLAC3D的分析步骤及求解流程

4．2．3 FLAC3D模型的选取

4．3 模型的建立

4．3．1 模型基本假定

4．3．2 模型边界条件

4．3．3 模型计算参数

4．3．4 数值计算模型的建立

4．4 本章小结

5 数值模拟计算结果与分析

5．1 实际工程模型计算结果分析

5．1．1 初始应力场

5．1．2 不同开挖进尺下隧道位移变化

5．2 不同条件下盾构施工引起的地表沉降数值模拟

5．2．1 不同覆土厚度下盾构施工对地表沉降的影响

5．2．2 不同盾尾注浆强度下盾构施工对地表沉降的影响

5．2．3 不同掘进压力下盾构施工对地表沉降的影响

5．2．4 不同管片刚度下盾构施工对地表沉降的影响

5．3 盾构施工引起地表沉降的控制措施

5．3．1 舱内压力的合理设定

5．3．2 同步或二次注浆

5．3．3 研究区间特殊点沉降控制

5．3．4 监测信息的实时反馈

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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