软土地层地铁盾构穿越建（构）筑物安全控制研究

摘要

本文依托苏州轨道交通2号线工程，针对双线穿越570幢建筑物、斜交穿越城际高速铁路、切削穿越14根大直径桥桩这三大罕见难题，以指导和服务盾构施工实践为出发点，综合采用资料调研、理论分析、有限元仿真、现场试验和工程实测分析等研究手段，以期构建出一套地铁盾构穿越建（构）筑物安全控制的理论体系和技术措施。主要研究内容和成果如下:
　　(1)粉细砂地层掘进的纵向影响区域为-15m至+25m（以切口为零点），横向沉降槽比较符合peck假定的正态分布。土层的差异沉降规律为隧道正上方土层拱顶的沉降值最大，越往上沉降值越小，隧道侧边土层的沉降值则随着深度而减小。
　　(2)理论计算了盾构姿态不良引起盾尾空隙增加的数学关系，可为盾构推进实践中动态调整同步注浆量提供指导。根据苏州富水软弱粉细砂层的地质条件;研发了一种新型同步注浆浆液，其具有可注性与充填性好、强度适中且不易堵管的特点。研发了一种适应富水软土地层的新型泡沫剂，其在渗透性、流动性以及内摩擦角等土体改良试验以及现场实践应用中的效果表现良好。
　　(3)考虑到地层注浆加固的传统方案难以满足穿越高铁要求，基于隔离保护思路，研究提出了板-桩结构型式和“分区注浆+板桩隔离”的新型保护体系，并指出现场实施时需特别加强板下注浆补偿。
　　(4)建立了列车运行对板桩结构安全性能影响的动力仿真模型，在不考虑保护板下土体承载力的前提下，计算表明所设计的保护板可满足相应规范中的混凝土结构抗拉疲劳强度的验算要求。在分析列车荷载作用下地基土动应力扩散规律的基础上，对受列车动载影响的管片配筋加强进行了计算，根据计算结果，穿越高铁段盾构隧道结构应采用深埋管片。
　　(5)设计研发了可适应连续切削钢筋混凝土桩基的新型切桩贝壳先行刀;基于盾构切桩所可能遇到的风险，研究提出了包括含有正面贝壳先行刀、边缘贝壳先行刀、中心小贝壳刀、仿形贝壳刀、备用羊角切削刀在内的刀盘群刀装配方案。
　　(6)在始发洞门前开展盾构切削钢筋混凝土桩基现场试验，分析试验中的切筋切砼效果、刀具损伤情况、掘削参数特征等，并对试验发现的问题进一步优化改进;结合实际工程案例，研究提出了一套连续切削多根大直径桩基的核心控制技术。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 盾构法施工对地表变形的研究

1．2．2 盾构法施工对邻近建筑物影响的研究

1．2．3 地铁隧道下穿既有铁路路基加固技术

1．2．4 直接切桩掘削技术现状

1．2．5 切削类刀具工作机理与切削仿真研究现状

1．3 论文研究内容与方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法与技术路线

第二章 粉细砂地层盾构掘进引起的变形与受力规律

2．1 试验概述

2．1．1 粉细砂工程特性

2．1．2 试验测试内容

2．2 粉细砂地层盾构掘进引起的土体变形规律研究

2．2．1 地表沉降分析

2．2．2 分层沉降分析

2．2．3 土体水平变位分析

2．3 粉细砂地层盾构掘进引起的土水受力规律研究

2．3．1 测点布置

2．3．2 孔隙水压力变化规律分析

2．3．3 土压力变化规律分析

2．3．4 有效应力分析

2．4 本章小结

第三章 富水软土地层盾构穿越施工微扰动控制研究

3．1 引言

3．1．1 盾构施工引起地层沉降原因

3．1．2 本章研究依托的工程背景

3．2 微扰动掘进研究

3．2．1 盾构设备要求及验收

3．2．2 土仓压力设定

3．2．3 土体改良新型泡沫剂的研究开发

3．3 微扰动注浆研究

3．3．1 新型同步注浆浆液的研究

3．3．2 考虑盾构姿态的同步动态注浆量

3．4 建筑物沉降控制效果及评价

3．4．1 建筑物沉降控制总体情况

3．4．2 典型标段沉降控制情况

3．5 本章小结

第四章 盾构穿越高速铁路的预加固与保护措施研究

4．1 依托工程背景

4．2 穿越高速铁路的风险分析与安全控制标准

4．2．1 类似工程案例调研分析

4．2．2 盾构穿越高铁风险源分析

4．2．3 变形控制标准研究

4．3 地基与路基预加固措施研究

4．3．1 总体方案比选

4．3．2 预加固具体方案研究

4．3．3 双线地铁盾构穿越高速铁道的三维数值仿真分析

4．3．4 列车运行对板桩结构安全性能影响的动力仿真分析

4．4 隧道结构加固措施研究

4．4．1 列车荷载作用下地基土动应力扩散分析

4．4．2 考虑列车动载影响的管片配筋加强计算

4．5 苏州地铁穿越沪宁高速铁路施工实践与分析

4．5．1 盾构选用及其改造

4．5．2 穿高铁掘进参数研究

4．5．3 过程中异常情况及对策

4．5．4 实施效果及评价

4．6 本章小结

第五章 盾构主动切削穿越钢筋混凝土障碍物研究

5．1 工程概况

5．1．1 工程背景

5．1．2 工程可行性分析

5．2 新型切桩专用刀具研发与群刀装配方案研究

5．2．1 刀盘刀具装配目标

5．2．2 刀具选型及设计

5．2．3 刀盘群刀装配方案研究

5．3 刀盘旋转切削桩基三维仿真实验

5．3．1 动力学软件选择及动态接触算法

5．3．2 混凝土本构模型及失效准则

5．3．3 刀盘旋转切削桩基仿真模型建立

5．3．4 刀盘旋转切削桩基仿真结果分析

5．4 露天环境盾构刀盘直接切削大直径桩基现场试验

5．4．1 试验方案

5．4．2 试验结果

5．4．3 刀具损伤分析

5．4．4 切削钢筋及混凝土分析

5．4．5 掘削参数分析

5．4．6 刀具立体布局优化方案

5．5 苏州地铁连续穿越14根大直径桥梁群桩工程案例分析

5．5．1 盾构设备改造措施

5．5．2 掘削施工控制技术

5．5．3 工程实施总体效果

5．5．4 工程实测分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历

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