软土地基盾构掘进过程中的土体变形研究

摘要

目前,大量地铁隧道采用盾构工法施工,不少工程实践发现,盾构工法仍会产生土体变形问题。地铁运营前,土体变形可分为三部分:
　　(1)盾构机刀盘未到达开挖面前部分;
　　(2)盾构施工期间部分;
　　(3)施工工后至运营前部分。
　　本文以杭州地区盾构隧道施工为研究背景,通过对实测数据进行整理和分析,研究盾构机掘进过程中以及工后的土体变形规律。本文主要研究内容包括:
　　(1)对杭州地铁一号线进行现场监测,分析盾构机参数之间的相关关系和土体位移的发展规律;
　　(2)研究盾构机掘进参数对地表隆起的影响;
　　(3)修正魏纲提出的盾构施工期间土体位移的三维计算公式;
　　(4)研究土体在工后至运营前阶段变形的机理与计算公式。
　　本文主要创新工作和观点如下:
　　(1)本文研究了盾构掘进参数之间的相关关系,发现土压平衡式盾构机土舱压力、刀盘扭矩和总推力三者基本同步;
　　(2)本文统计和分析了刀盘到达开挖面前阶段,9个掘进参数与地面土体变形的线性相关性。分析结果表明:杭州地铁盾构施工产生地面隆起的概率较大,土质条件越好、越容易引起地面隆起,掘进参数中盾构最大环总推力对地面日隆起量影响最大,其次为盾构环最小推进速度和盾构环平均推进速度;
　　(3)本文通过推导沿掘进方向变化的土体损失率计算公式,对魏纲提出的顶管施工引起的土体变形计算公式进行了修正,得到了盾构施工引起的土体变形三维解计算公式;
　　(4)本文基于Henkel理论计算掘进过程中产生的超孔压,修正了陈伟军推导的土体初始超孔压计算公式,进而推导得到在工后至运营前阶段,地面土体变形的机理和理论计算方法。

目录

致谢

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 国内外研究现状

1.2.1. 经验分析法

1.2.2 理论分析法

1.2.3 数值模拟方法

1.2.4 其它方法

1.2.5 存在的不足之处

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本文的创新之处

第二章 盾构施工现场监测方案

2.1 工程概况

2.2 现场监测方案

2.2.1 场地条件

2.2.2 盾构工法施工原理

2.2.3 仪器布置和埋设

2.2.4 孔隙水压力监测

2.2.5 地面沉降监测

2.2.6 水平位移监测

2.3 本章小结

第三章 现场监测结果整理及分析

3.1 引言

3.2 盾构机参数相关关系分析

3.2.1 盾构机总推力与土舱压力的相关关系分析

3.2.2 刀盘扭矩和盾构机总推力的相关关系分析

3.2.3 土舱压力和出土率的相关关系分析

3.3 超孔隙水压力监测结果分析

3.4 土体位移监测结果分析

3.4.1 纵向地面变形

3.4.2 横向地面沉降

3.4.3 深层土体侧向变形

3.4.4 土体长期沉降监测结果及分析

3.5 本章小结

第四章 盾构施工引起的地面隆起研究

4.1 引言

4.2 实测数据统计分析

4.2.1 杭州地铁2号线某区间段

4.2.2 杭州地铁1号线现场监测段

4.3 盾构掘进参数对地面隆起的影响

4.3.1 盾构推进影响区划分

4.3.2 掘进参数对地面隆起的影响

4.4 本章小结

第五章 盾构施工引起的施工沉降研究

5.1 引言

5.2 本章的计算模型与假定

5.3 施工期间土体变形计算公式

5.3.1 土体损失引起的土体变形计算公式

5.3.2 正面附加推力引起的土体变形计算公式

5.3.3 盾壳摩擦力引起的土体变形计算公式

5.3.4 盾构施工引起的土体变形计算公式

5.4 算例分析

5.5 本章小结

第六章 盾构施工引起的工后地面沉降研究

6.1 引言

6.2 土体应力释放率取值方法的研究

6.2.1 基本假定

6.2.2 隧道法向围压计算方法介绍

6.2.3 隧道B点初始超孔压计算方法介绍

6.2.4 土体应力释放率的计算

6.3 盾构隧道轴线上方(B点)土体的初始超孔隙水压力计算

6.3.1 隧道轴线上方土体(B点)的初始超孔隙水压力计算

6.3.2 杭州地铁1号线实例分析

6.4 地面长期沉降计算方法

6.5 算例分析

6.6 本章小结

第七章 盾构施工工后土体固结沉降数值分析

7.1 引言

7.2 建立模型

7.2.1 基本假定

7.2.2 定义土体和衬砌的属性

7.2.3 建立几何模型

7.2.4 划分网格组

7.3 定义施工阶段

7.3.1 设定分析条件

7.3.2 定义施工阶段

7.4 结果分析

7.4.1 地表固结沉降分析

7.4.2 各土层固结沉降分析

7.4.3 水平位移分析

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文主要成果与结论

8.2 进一步研究的展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得的科研成果