盾构掘进地面隆陷及潮汐作用江底盾构隧道性状研究

摘要

目前国内水下盾构隧道建设方兴未艾，其施工环境效应及结构稳定性的研究应运而生。本文研究在杭州水下盾构隧道的建设背景下展开，依托于杭州庆春路过江隧道的工程实践，通过现场试验和理论计算研究了盾构掘进引起的地面隆陷及钱塘江潮汐对隧道结构受力性状的影响，旨在深入认识水下盾构隧道施工环境扰动及其长期结构性状。
　　本文研究内容总体上分为2部分，分别为盾构掘进引起的地面隆陷和钱塘江潮汐作用下盾构隧道的受力性状。
　　（一）盾构掘进引起的地面隆陷
　　庆春路隧道建设期间，对盾构掘进引起的地面隆陷进行了大量的现场监测，并实时记录了盾构掘进参数。通过实测分析，总结了杭州软土中盾构掘进引起地面竖向位移的特征和规律，并对各传统地面沉降计算理论的适用性进行评析。
　　在实测基础之上，引入土力学和流体力学的若干基本理论计算盾构掘进引起的地面隆陷。主要创新点如下:
　　(1)提出了盾构非水平掘进时的地面隆陷Mindlin解数值积分算法。
　　(2)在实测基础之上发现横向地面注浆隆起符合高斯分布，与地层损失沉降叠加，提出考虑注浆隆起效应的广义Peck公式。
　　(3)基于源汇法推导得到在隧道围土不同收敛模式下的地面沉降计算公式，并在实测基础之上进行了经验性改进，提供了一种盾构隧道施工地层损失沉降估算的简单可靠方法。
　　(4)提出了一种划分地层损失沉降与固结沉降的简单实用方法。
　　(5)提供了一种盾构施工扰动超孔隙水压力及地面固结沉降的理论计算方法。
　　(6)提出了一种考虑盾构掘进速度和停机时间的地面沉降计算理论。
　　(7)探讨了同步注浆的时空效应，提出了考虑注浆效率和注浆分布模式的地面隆陷计算方法。
　　(8)提出了一种基于切口超挖控制的地面隆陷计算方法。
　　（二）钱塘江潮汐作用下盾构隧道的受力性状
　　庆春路隧道在建设期间设计实施了结构健康监测系统，监测项目包括隧道位置钱塘江水位、隧道围压、衬砌钢筋应变、衬砌水平直径收敛以及隧道纵向沉降。依托于该健康监测系统的现场实测，主要有以下创新性研究:
　　(1)分析了钱塘江水下盾构隧道围压及钢筋应变与水位的相关性。
　　(2)针对隧道上覆土层透水性的不同，提出了2种水下盾构隧道衬砌设计模型，并以现场实测验证了其中之一的合理性。
　　(3)采用惯用计算法计算水位波动引起的衬砌钢筋应变变化，并根据现场实测数据对计算弯矩进行了经验性修正，使其计算内力可用于衬砌结构应力应变分析。
　　(4)基于上述两种水下盾构隧道衬砌设计模型，出于隧道结构安全的考量，对钱塘江极限容许水位进行了预测。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和选题意义

1．1．1 水下隧道相较于桥梁的优势

1．1．2 水下盾构隧道面临的挑战与技术难题

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 隧道施工引起的土层位移

1．2．2 盾构隧道衬砌围压计算、结构设计及长期性状

1．3 现有研究的局限

1．3．1 隧道施工引起的土层位移

1．3．2 盾构隧道的结构设计与长期性状

1．4 本文主要研究内容

1．4．1 盾构隧道掘进引起的地面隆陷

1．4．2 钱塘江水下盾构隧道结构设计与长期性状

第2章 盾构掘进引起的施工期地面隆陷

2．1 引言

2．2 工程概况及工程水文地质

2．2．1 工程概况

2．2．2 工程水文地质条件

2．3 杭州软土中盾构施工地面沉降特征

2．3．1 地面沉降监测布置

2．3．2 地面沉降监测分析

2．3．3 传统预测理论的适用性

2．4 考虑施工过程的盾构掘进地面隆陷分析

2．4．1 力学模型的建立与求解

2．4．2 地面隆陷实测与计算

2．4．3 参数敏感性分析

2．5 盾构非水平掘进地面隆陷计算

2．5．1 非水平掘进地面隆陷计算

2．5．2 工程实例分析

2．6 考虑注浆作用的地面隆陷预测

2．6．1 同步注浆简介

2．6．2 考虑注浆隆起的地面隆陷预测

2．7 盾构隧道施工地面沉降虚拟镜像算法

2．7．1 虚拟镜像技术的基本原理

2．7．2 地面沉降的求解

2．7．3 实例验证与算法改进

2．8 小结

第3章 盾构掘进引起的地面固结沉降

3．1 引言

3．2 地层损失沉降与固结沉降的划分

3．2．1 沉降槽宽度参数K随时间的变化

3．2．2 地层损失沉降与固结沉降的划分

3．3 横向地面固结沉降的特征

3．4 固结沉降随时间的发展

3．5 固结沉降的影响因素及控制

3．6 盾构施工固结问题的讨论与计算

3．6．1 q、f与p作用下附加应力的计算

3．6．2 q、f与P作用下超孔隙水压力的计算

3．6．3 地层损失下附加应力及超孔隙水压力的计算

3．6．4 固结沉降的计算

3．6．5 算例分析

3．7 小结

第4章 盾构掘进参数对地面隆陷的影响

4．1 引言

4．2 各掘进参数的综合效应

4．2．1 盾构掘进参数效应的综述

4．2．2 实例分析

4．3 掘进速度及非正常停机的影响

4．3．1 计算模型的建立及求解

4．3．2 实例分析

4．4 同步注浆的效应

4．4．1 注浆效率的影响

4．4．2 注浆分布的影响

4．4．3 注浆对上覆结构的影响

4．5 切口超挖的影响

4．5．1 计算模型的建立与求解

4．5．2 算例分析

4．6 小结

第5章 钱塘江潮汐作用下盾构隧道性状研究

5．1 引言

5．2 隧道健康监测系统的设计及实旅

5．2．1 振动量测技术与分布式光纤传感技术的简介

5．2．2 庆春路隧道结构健康监测系统的设计与实施

5．3 钱塘江水位的变化规律

5．3．1 钱塘江河口段概述

5．3．2 实测水位变化规律

5．4 隧道围压与钢筋应变监测分析

5．4．1 隧道围压的变化规律及其与水位的相关性

5．4．2 钢筋应变的变化规律及其与水位的相关性

5．5 考虑水位变化的盾构隧道衬砌设计

5．5．1 水下盾构隧道的设计模型

5．5．2 衬砌外力和内力的理论计算

5．5．3 理论设计模型的实测验证

5．5．4 水下盾构隧道结构安全评析

5．6 小结

第6章 结论与展望

6．1 研究内容概述

6．1．1 盾构掘进引起的地面隆陷

6．1．2 钱塘江潮汐作用下盾构隧道受力性状

6．2 结论

6．3 展望

6．3．1 本文研究的局限

6．3．2 本文研究的深化

6．3．3 本文研究的延拓

参考文献

作者简介及在读期间科研成果