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泥水盾构隧道施工土体稳定性分析与试验研究

作　者: 韦良文
导　师: 张庆贺
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 泥水盾构隧道开挖面稳定泥膜同步注浆进出洞隧道上浮施工控制技术
分类号: U455.43
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

伴随着城市化进程,日益拥挤的交通使地下铁道等其它一些交通隧道的建设成为城市发展的必然,现代城市对地下交通隧道建设在数量和质量上都有了更高的要求。相对于盾构隧道施工建设状况,我国在盾构工法特别是大型泥水盾构隧道施工技术等方面还存在许多问题,其中较为突出的是施工中地层土体失去稳定性问题。对于泥水盾构施工过程中土体稳定性研究尚缺乏足够的认识,探索泥水盾构工法的土体稳定性规律既是生产实践需求,也具有一定的理论研究价值。本文依托于上海复兴东路越江隧道、翔殷路越江隧道及西藏南路越江隧道工程并参考大量文献,对泥水盾构施工中存在的开挖面稳定性、盾尾拖出管片的土体坍塌及隧道上浮现象以及出洞段土体稳定性进行了研究,主要工作和研究成果如下:（1）分析泥水介质平衡开挖面微观机理及泥膜形成条件与形成过程;基于泥水盾构隧道开挖面失稳形式,建立改进的楔型体模型,考虑滑动面的形状、泥水渗入地层影响及产生超孔隙水压影响,对模型各参数进行敏感性分析;（2）经过主要原材料优选试验、造浆率试验、抗污染试验及抑制分散岩屑回收率试验及现场配制研发了聚合物正电胶（PMS）泥浆;初步分析了聚合物正电胶（PMS）泥浆平衡开挖面土体的机理,根据聚合物正电胶（PMS）泥浆复兴东路工程试验监测结果,获得了良好的工程使用效果;（3）对同步注浆材料进行了10组浆液第一阶段配比试验,得到了浆液配方技术参数如坍落度、稠度、密度、泌水率、收缩率及pH值,经比较确定3组可注性好的浆液配方;对其进行直剪试验、固结压缩试验,确定其粘聚力c、内摩擦角φ,压缩系数α_v1-2及压缩模量E_s1-2,并进行了3d、7d、28d的单轴抗压强度试验,确定浆液不同龄期的抗压强度;在第一阶段的基础上由市政二公司提供现场施工材料,并进行含添加剂的浆液各项指标的试验研究,并优选配方,确定了现场采用的浆液配方;（4）分析盾尾脱出管片后盾尾上覆土失稳原因及泥水盾构隧道上浮影响因素;建立泥水盾构隧道上浮简化弹性地基梁模型,并分析隧道纵向刚度、地基反力系数及上浮力的确定方法;采用上述方法应用本文研究的同步注浆浆液参数计算了翔殷路隧道上浮量,并与监测结果作了对比分析;提出有效控制泥水盾构隧道上浮的工程措施;（5）分析工作井端头土体加固原则、加固范围及常用加固方法;采用板块强度理论分析加固土体强度,采用滑移失稳理论和土体极限平衡理论分析加固土稳定性。最后结合一具体算例进行计算,并与有限元结果进行比较。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第1章绪论  15-42
  1.1 问题的提出  15-17
  1.2 盾构隧道开挖面土体稳定性研究现状  17-28
    1.2.1 理论分析研究  18-22
    1.2.2 模型试验研究  22-24
    1.2.3 数值模拟研究  24-25
    1.2.4 泥水盾构开挖面泥浆应用及研究现状  25-27
    1.2.5 泥水盾构隧道开挖面稳定性研究存在的问题与不足  27-28
  1.3 盾构隧道同步注浆研究现状  28-39
    1.3.1 同步注浆浆液研究现状  28-30
    1.3.2 同步注浆效果检测研究现状  30-31
    1.3.3 同步注浆引起的地层位移研究现状  31-37
    1.3.4 同步注浆模型试验研究现状  37-38
    1.3.5 泥水盾构同步注浆研究存在的问题与不足  38-39
  1.4 本文的主要研究内容、技术路线和创新点  39-42
    1.4.1 本文主要研究内容  39-41
    1.4.2 本文技术路线  41
    1.4.3 本文主要创新点  41-42
第2章泥水盾构隧道开挖面土体稳定性理论分析  42-65
  2.1 泥水盾构施工工作原理  42-47
    2.1.1 泥水盾构工作原理  42-43
    2.1.2 泥水盾构的开挖面定义  43-45
    2.1.3 泥水介质平衡开挖面微观机理  45-47
  2.2 泥膜的形成过程与形成条件  47-50
    2.2.1 泥膜的形成过程  47-48
    2.2.2 泥膜生成条件  48-50
  2.3 泥水盾构开挖面失稳形式  50-52
  2.4 开挖面楔型体模型  52-63
    2.4.1 开挖面三角形楔型体模型  52-54
    2.4.2 考虑泥浆渗入土体的影响  54-55
    2.4.3 考虑渗透水引起的超孔隙水压影响  55-56
    2.4.4 迭代过程  56-57
    2.4.5 改进的楔型体模型——抛物面楔型体模型  57
    2.4.6 算例分析  57-59
    2.4.7 改进楔型体模型的参数敏感性分析  59-63
  2.5 本章结论  63-65
第3章新型稳定开挖面泥水体系研究及应用  65-77
  3.1 PMS配方优选原则  65
  3.2 试验原材料与试验方法  65-69
    3.2.1 试验用原材料  66
    3.2.2 PMS泥浆主要原材料优选试验  66-69
  3.3 PMS泥浆稳定开挖面机理  69-70
  3.4 PMS泥浆工程应用效果  70-76
  3.5 本章小结  76-77
第4章泥水盾构同步注浆浆液试验研究  77-101
  4.1 上海西藏南路越江隧道概况  77-78
    4.1.1 与壁后同步注浆有关的西藏南路隧道施工难点  78
    4.1.2 本工程沿线地质情况  78
  4.2 新型泥水盾构隧道同步注浆材料配比试验  78-100
    4.2.1 浆液材料配比概述  78-81
      4.2.1.1 浆液配比原则  78-80
      4.2.1.2 浆液配比试验思路  80
      4.2.1.3 试验材料及试验场地  80
      4.2.1.4 浆液测试指标  80-81
      4.2.1.5 浆液性能测试依据标准  81
    4.2.2 同步注浆浆液中各组分的作用原理  81-83
      4.2.2.1 粉煤灰与消石灰(氢氧化钙)的作用原理  81-82
      4.2.2.2 同步注浆浆液中其他组分的作用原理  82-83
      4.2.2.3 石灰—火山灰砂浆的配比和强度发展  83
    4.2.3 浆液各指标测试方法  83-89
      4.2.3.1 密度测试  83-84
      4.2.3.2 稠度测试  84-85
      4.2.3.3 坍落度测试  85-86
      4.2.3.4 泌水率测试  86
      4.2.3.5 强度测试  86-87
      4.2.3.6 浆液的直接剪切测试  87-88
      4.2.3.7 浆液固结压缩测试  88
      4.2.3.8 浆液pH值测试  88
      4.2.3.9 抗冲刷性能测试  88-89
      4.2.3.10 浆料堆积状况试验  89
      4.2.3.11 易清洗性能测试  89
    4.2.4 试验结果分析  89-100
      4.2.4.1 第一阶段浆液力学性能指标测试结果分析  90-94
      4.2.4.2 第一阶段浆液力学性能指标测试结论  94-95
      4.2.4.3 第二阶段浆液力学性能指标测试结果分析  95-99
      4.2.4.4 第二阶段浆液力学性能指标测试结论  99-100
  4.3 本章小结  100-101
第5章泥水盾构盾尾土体稳定性及隧道上浮研究  101-118
  5.1 盾尾脱出管片上覆土失稳及隧道上浮  101-106
    5.1.1 盾尾脱出管片上覆土失稳  101-102
    5.1.2 泥水盾构隧道上浮影响因素  102-106
  5.2 泥水盾构隧道上浮简化力学模型  106-110
    5.2.1 隧道纵向刚度  107-109
    5.2.2 隧道纵向地基反力系数  109
    5.2.3 隧道纵向所受浮力  109-110
  5.3 上海翔殷路北线隧道上浮计算  110-114
    5.3.1 工程概况  110-111
    5.3.2 北线隧道出洞段概况  111-112
    5.3.3 上浮量计算分析  112-114
  5.4 泥水盾构隧道上浮控制措施  114-116
  5.5 本章小结  116-118
第6章泥水盾构进出洞土体稳定性分析  118-143
  6.1 工作井端头土体加固概述  118-122
    6.1.1 工作井端头地层加固原则及常用加固方法  118-119
    6.1.2 盾构出洞段土体加固范围  119-121
    6.1.3 盾构进洞段土体加固范围  121-122
  6.2 加固土体稳定性分析  122-127
    6.2.1 板块的强度分析设计理论  123-124
    6.2.2 粘性土滑移失稳理论  124-125
    6.2.3 土体扰动极限平衡理论  125-127
  6.3 算例分析  127-142
    6.3.1 某泥水盾构隧道工程概况  127-129
    6.3.2 算例验算  129-132
      6.3.2.1 板块强度分析  129-130
      6.3.2.2 粘性土滑移失稳理论  130-131
      6.3.2.3 土体扰动极限平衡理论  131-132
    6.3.3 算例FEM分析  132-142
      6.3.3.1 计算模型  132-135
      6.3.3.2 数值计算结果  135-140
      6.3.3.3 数值计算结论  140-142
  6.4 本章小结  142-143
第7章结论与展望  143-147
  7.1 结论  143-145
  7.2 进一步工作的方向  145-147
致谢  147-148
参考文献  148-156
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  156

泥水盾构隧道施工土体稳定性分析与试验研究

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