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砂卵石地层土压平衡盾构掘进引起的土体变形及控制方法

作　者: 赵旭伟
导　师: 李永利
学　校: 吉林建筑工程学院
专　业: 结构工程
关键词: 隧道工程土压平衡盾构土体变形离散元有限元施工参数控制方法
分类号: U455.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 138次
引　用: 2次
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内容摘要

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定层,其力学特性和物理特性与软土、黄土及复合地层差别很大,地层中的卵石颗粒在无水状态下点对点传力,受扰动后地层反应灵敏。该地层岩体松散、无胶结、自稳能力差、单个石块强度高;颗粒之间空隙大、粘聚力小、渗透系数大。在此类地层中进行盾构施工国内尚属首次,世界上也比较罕见,类似地层只有台北捷运、意大利都灵地铁及日本的地铁、输水隧洞中遇到过。土压平衡盾构(EPB)在长距离、大面积砂卵石地层中掘进会遇到地表沉降大、掘进效率低,渣土流动性差、刀盘刀具磨损严重,开挖面稳定较难控制等诸多问题。就我国和世界上大部分地区的盾构施工来看,软土盾构隧道引起地层移动和变形规律的研究较为深入,复合地层和黄土地层施工扰动也进行了大量的研究。而对砂卵石地层条件下盾构施工地层变形规律和控制方法的研究较少。该地层的特殊性及区域性也导致目前还没有砂卵石地层成熟的土体变形理论和沉降规律可以参考。论文以成都地铁1号线2标人民北路～天府广场3个区间站为背景,分析了砂卵石地层盾构掘进土体变形的影响因素,归纳总结了我国主要地铁城市地层特点及盾构掘进沉降规律。利用离散元软件PFC,研究了盾构在砂卵石地层中掘进掌子面坍塌过程及三种工况土仓内应力分布状态;利用有限元软件ANSYS建立三维数值模型,研究了土压平衡盾构在不同的掘进压力、注浆等代层厚度、隧道覆土厚度、隧道净距等条件下地表沉降规律,分析了地表沉降的时间历程及影响范围。从整体上把握了规律性问题,提出了各参数控制性建议。最后结合成都地铁1号线2标段工程实例,分析了盾构施工主要施工参数如:掘进速度、注浆压力、千斤顶推力、3号应力点土仓压力和地表沉降的关系。在土压平衡盾构施工关键控制措施方面,以盾构过万福桥为例,研究了穿越施工降低地层扰动的控制措施、注浆控制措施及刀具适应性改造措施。希望为以后类似地层盾构隧道的设计、施工提供提供指导意见,创造更好的社会效益和经济效益。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 研究的背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
  1.3 研究方法评价  17-18
  1.4 主要研究内容  18-20
    1.4.1 研究内容  18-19
    1.4.2 技术路线  19-20
第2章盾构掘进引起砂卵石地层变形的机理分析  20-38
  2.1 盾构法基本理论  20-25
    2.1.1 主要盾构机类型  22-24
    2.1.2 EPB 盾构的基本原理  24-25
  2.2 地区经验性总结  25-29
    2.2.1 上海软土地层  25-26
    2.2.2 广州复合地层  26-27
    2.2.3 西安黄土地层  27-28
    2.2.4 北京互层地质  28
    2.2.5 南京软流塑地层  28-29
  2.3 砂卵石地层特点  29-31
  2.4 砂卵石地层土体变形的影响因素  31-32
  2.5 砂卵石地层土体变形机理  32-36
    2.5.1 地层变形时间效应  32-33
    2.5.2 地层变形空间效应  33-35
    2.5.3 土体应力状态  35-36
  2.6 小结  36-38
第3章砂卵石地层土压平衡特性的DEM 模拟  38-55
  3.1 砂卵石地层离散元模拟的合适性  38-39
  3.2 离散元基本原理  39-44
    3.2.1 位移方程  39-42
    3.2.2 单元运动方程  42-43
    3.2.3 迭代过程  43-44
  3.3 PFC 数值模型  44-47
    3.3.1 胶结模拟  45-46
    3.3.2 计算过程  46-47
  3.4 结果分析  47-54
    3.4.1 掌子面坍塌过程PFC 模拟  47-51
    3.4.2 三种工况土仓应力PFC 模拟  51-54
  3.5 小结  54-55
第4章砂卵石地层盾构开挖沉降规律FEM 模拟  55-70
  4.1 有限元基本理论  55
  4.2 弹塑性本构模型  55-59
  4.3 计算过程  59-63
    4.3.1 模型情况及边界条件  59-62
    4.3.2 初始应力场及土体力学参数  62-63
  4.4 结果分析  63-68
    4.4.1 不同的掘进压力沉降规律  63-64
    4.4.2 盾尾注浆对地表沉降的影响  64-65
    4.4.3 覆土厚度对地表沉降的影响  65-67
    4.4.4 隧道净距对沉降的影响  67
    4.4.5 盾构掘进地表沉降历程分析  67-68
  4.5 小结  68-70
第5章盾构施工土体沉降实例分析及控制措施  70-93
  5.1 工程概况  70-74
    5.1.1 施工难点  71-72
    5.1.2 设备概况  72-74
  5.2 参数选定  74-79
    5.2.1 土仓压力  74-76
    5.2.2 顶推力  76-78
    5.2.3 同步注浆  78
    5.2.4 出渣的控制原则  78-79
    5.2.5 参数总结  79
  5.3 沉降规律  79-86
    5.3.1 施工参数分析  79-82
    5.3.2 时间效应及影响范围  82-86
  5.4 施工控制措施  86-92
    5.4.1 穿越控制措施  86-89
    5.4.2 注浆控制措施  89-91
    5.4.3 刀具改进措施  91-92
  5.5 小结  92-93
第6章结论与展望  93-95
  6.1 论文主要结论  93
  6.2 存在问题及工作展望  93-95
参考文献  95-100
附录A 个人简历  100
附录B 攻读硕士期间实习情况及参与科研项目  100
攻读硕士学位期间发表论文  100-103
致谢  103-104

砂卵石地层土压平衡盾构掘进引起的土体变形及控制方法

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