南京地铁隧道盾构法施工地表沉降数值模拟研究

摘要

目前，随着世界人口的快速增长，土地资源显得越来越紧缺。在我国伴着城市化进程步伐的加快，土地资源也越来越宝贵。为了充分利用土地，人们加大建筑高度，产生了高层建筑和超高层建筑;开发利用地下空间资源，产生了地下建筑，地铁等等;地铁的产生使得地面交通压力得到了相当大的缓解，修建地铁通常使用的一种重要施工方法就是盾构法，主要因为盾构法在地铁隧道施工过程中有着其他施工方法所不具备的独特优势。另外盾构法对土体性质的要求也不是很高。然而事情的两面性决定了盾构法也有不足之处。由盾构法施工引起的地表沉降和地层移动规律一直都是盾构隧道设计以及施工过程中非常关心的问题。地铁隧道施工之时和施工后期诱发的地表沉陷是致使建、构筑物产生外观及功能上损害的主要原因，每年因此而产生的经济损失非常大。所以，研究分析由地铁隧道盾构施工引起的地表沉降规律是十分迫切和必要的。
　　文章依托南京地铁4号线东流站～青龙站区间隧道为工程背景，并且从该隧道区间选取其中一段土层特性建立三维数值模拟模型。分析模拟开挖对于地表沉降地影响。通过分析研究，得出了一些有一定参考价值的结论:盾构不断向前推进的进程中，地表沉降值也是在逐渐增大的，在隧道开挖面后方40米左右处趋于稳定。开挖面前方15米处土体出现轻微隆起现象;依照施工顺序，左线隧道先行开挖，之后再进行右线开挖，由于左线开挖对周围土体产生扰动，导致右线土体强度弱化，从而使得在右线隧道中心线处上方的地表沉降最大值稍微大于左线;距盾构机刀盘前方15米处，地表出现向上的隆起现象，初期的沉降值大致为1～2mm，在开挖面的前方大致为-2～-3mm。盾构通过时的沉降值大致为-5～-7mm。盾尾间隙的沉降值大致为-8～-14mm，它主要取决于所处地层的自稳能力;当盾构的外径一样时，地表沉降随着隧道上覆土层深度的增大呈现减小趋势，然而，当深度增大到一定的程度时，地表沉降减小的幅度越来越小;注浆及时与否对于地表沉降值的影响很大，由于注浆不及时引起的地表最大沉降量是注浆及时状态下的最大沉降量的至少2倍以上。研究所得的地铁盾构施工地层沉降机理和规律可以为类似工程方案的确定和施工组织设计，提供一定的参照价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究的目的、意义

1．2 国内外相关领域的研究现状及发展

1．2．1 经验法

1．2．2 室内模型试验法

1．2．3 理论解析法

1．3 各方法存在问题及评价

1．4 研究内容

2 盾构法施工技术原理及地表沉降机理研究

2．1 盾构法原理

2．1．1 盾构施工简介

2．1．2 盾构施工流程及盾构作用

2．1．3 盾构施工法的适用范围和优缺点

2．1．4 盾构类型

2．2 盾构选型

2．2．1 盾构选型依据

2．2．2 盾构选择方式

2．3 盾构施工技术要点

2．3．1 施工准备

2．3．2 盾构掘进

2．4 土压平衡盾构

2．5 盾构法施工诱发地表沉降机理研究

2．5．1 地层变形机理

2．5．2 导致地表沉降的影响因素

2．5．3 施工的主、客观因素分析

2．6 本章小结

3 地表沉降数值模拟理论及建模

3．1 FLAC简述

3．1．1 FLAC3D在隧道与和下工程中的应用

3．1．2 FLAC3D的基本特点

3．2 FLAC3D原理

3．2．1 有限．差分方程及求解过程

3．2．2 Mohr-Coulomb(M—C)塑性模型

3．2．3 FLAC3D的分析步骤

3．3 工程概况

3．3．1 总体概况

3．3．2 东流站～青龙站区间隧道

3．3．3 东流站～青龙站区间工程环境

3．3．4 工程地质及水文地质

3．3．5 特殊岩土及不良地质作用

3．3．6 气候气象条件

3．3．7 工程难点及对策

3．4 盾构法数值模拟

3．4．1 盾构隧道设计断面

3．4．2 模型建立

3．4．3 建模所做假定

3．5 本章小结

4 地表沉降规律与监测结果对比分析研究

4．1 模拟结果分析

4．1．1 左线隧道开挖数值模拟结果及分析

4．1．2 右线隧道开挖数值模拟结果及分析

4．2 竖直方向应力场分析

4．3 地表沉降模拟分析

4．3．1 横向地表沉降分析

4．3．2 纵向地表沉降分析

4．4 盾构隧道监测分析

4．4．1 监测原则及目的

4．4．2 监测项目

4．4．3 监测点(孔)布置与保护措施

4．4．4 监测频率和监测警戒值

4．5 隧道工程监测

4．5．1 隧洞工程的监控量测主要项目

4．5．2 测点布设及监测方法

4．6 监测数据分析

4．6．1 实测横向地表沉降分析

4．6．2 实测纵向地表沉降分析

4．6．3 影响地表沉降量因素分析

4．7 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果