宁波软土地层盾构隧道下穿铁路施工引起地层变形规律及控制技术研究

摘要

论文以宁波软土地层中区间隧道下穿铁路桥为工程背景，采用理论分析、数值模拟、室内相似模型试验、现场监测等多种研究手段，对盾构隧道开挖引起的地表沉降规律、软土地层蠕变对地层沉降的影响、列车循环荷载对地层变形的影响、隧道-基础-上部结构的相互作用以及盾构隧道下穿铁路控制标准的制定及施工对策进行了全面研究，主要工作及研究结论如下:
　　(1)对宁波地铁淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土典型地层土样进行了三轴不排水固结蠕变试验，试验表明:当施加荷载的应力水平较低时，蠕变只呈现出衰减阶段，属于稳定性蠕变。随着施加荷载应力水平的不断提高，土体的相应蠕变变形逐渐增大，当施加荷载的应力水平达到80kPa时(粉质黏土100kPa)，土体的蠕变规律呈现衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，属于亚稳定型蠕变;
　　(2)通过土体三轴排水固结蠕变实验，得到排水条件下宁波软土的物理力学参数和固结蠕变特征参数，揭示了宁波软土地层排水固结及蠕变对地层变形的影响规律。
　　(3)研究了列车运行速度对软土地层沉降影响的规律。列车循环荷载引起的下卧土体总累积沉降呈指数增大，通过研究列车速度对软土长期沉降有显著的影响，在盾构隧道施工阶段，可以通过降低车速，来减小列车循环荷载引起的地基土沉降。
　　(4)以软土动三轴实验为基础，综合应用数值模拟和修正的指数预测模型及分层总和法，分析了列车运行循环动荷载对宁波软土地层变形的影响，初步揭示了列车运行动荷载对地层变形的影响规律。
　　(5)考虑地层蠕变和列车循环荷载的共同作用，制定了宁波轨道交通一号线盾构隧道下穿萧甬铁路沉降控制指标及施工控制对策，为隧道下穿施工和安全保障提供了技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2．1 盾构隧道施工引起地表沉降规律研究现状

1．2．2 软土蠕变研究现状

1．2．3 盾构下穿铁路研究现状

1．2．4 目前研究存在的主要问题

1．3 论文研究内容

1．4 论文研究方法和技术路线

1．4．2 论文技术路线

2 盾构隧道施工引发地层变形规律研究

2．1 盾构施工引起地表沉降理论

2．1．1 地层变形时空效应理论

2．1．2 地层沉降曲线形成机理

2．1．3 地层沉降的原因

2．2 软土地层盾构施工引起地表沉降规律分析

2．2．1 数值计算的建模原则与计算模型

2．2．2 计算工况及计算结果分析

2．3 盾构施工引起地层沉降模型试验研究

2．3．1 模型试验目的

2．3．2 模型试验设备简介

2．3．3 模型试验设计

2．3．4 模型试验成果分析

2．4 本章小结

3 软土蠕变对盾构隧道施工引起的地层变形影响研究

3．1 常用流变元件模型及其选取

3．1．1 常用流变元件模型

3．1．2 模型选取

3．2 宁波典型土层室内流变试验

3．2．1 试验基本情况

3．2．2 试验结果分析

3．3 土体流变模型的选择与辨识

3．3．1 西原模型

3．3．2 蠕变模型参数拟合

3．4 软土蠕变模型的二次开发

3．4．1 蠕变本构方程增量形式

3．4．2 应力更新算法

3．4．3 ABAQUS子程序UMAT计算流程

3．4．4 算例验证

3．4．5 蠕变对盾构隧道地层变形的影响分析

3．5 本章小结

4 列车循环荷载作用下引起软土盾构隧道沉降分析

4．1 宁波地基土动三轴试验

4．1．1 动三轴试验设备及内容

4．1．2 试验荷载

4．1．3 试验步骤

4．1．4 试验方案

4．1．5 试验结果分析

4．2 列车循环荷载作用下隧道沉降分析

4．2．1 宁波土层的累积变形预测模型

4．2．2 列车循环荷载作用下地基沉降动力响应分析

4．2．3 列车循环荷载作用下地层长期沉降预测

4．3 本章小结

5 隧道-基础-上部结构相互作用研究

5．1 工程概况

5．2 隧道施工地层变形对桩基的影响机理

5．2．1 地层变形与桩基结构相互作用关系

5．2．2 桩基变形模式

5．3 盾构隧道下穿铁路桥影响分析

5．3．1 计算模型的建立

5．3．2 计算结果及分析

5．4 本章小结

6 盾构隧道下穿铁路沉降控制标准及施工对策研究

6．1 下穿既有铁路桥变形控制标准

6．1．1 控制标准制定的基本原则

6．1．2 主要控制指标和控制标准

6．2 盾构下穿铁路沉降施工对策

6．2．1 穿越前施工对策

6．2．2 穿越阶段控制施工控制措施

6．2．3 盾构穿越后措施

6．3 现场实测

6．3．1 监测方案

6．3．2 监测成果分析

6．4 本章小结

7 结论及展望

7．1 主要工作和结论

7．2 本文的创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

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