基于地层变异的盾构隧道工程风险分析及其应用研究

论文摘要

地层的随机分布与变异性是影响隧道工程建设的重要风险因素，国内外很多学者对其进行了大量研究。论文以上海市科委2004年重大科技攻关项目——隧道工程的施工监控与预警、报警系统及风险管理系统研究(04dz12021)为依托，以上海长江隧道工程为研究对象，讨论了江底长大隧道工程的地层随机分布和土体变异特征，提出了相应的分析理论和计算方法，并以此为基础将其应用到上海长江隧道工程风险分析中。论文主要研究内容及成果如下： (1) 结合上海长江隧道工程建设概况资料，将其与国内外的重要水底隧道工程进行了系统的对比研究，重点分析了上海长江隧道工程的建设特点和难点——超大直径(世界第一)、高水压作用(最高水压达0.6MPa)、一次性长距离(盾构施工掘进长度达7.5km)施工、穿越复合土层等，并依次对上述特点和难点进行了详细的对比分析和重点讨论，列出了工程建设过程中的重要风险因素。 (2) 系统分析了地质勘查及土层的不确定性，并对地质钻孔得到的土层信息进行了构成分析和术语定义，建立了土层、土组的随机分布概率统计模型。由于地层由不同的土层组成，不同土层之间存在相互关联或联合，利用所建统计模型，建立了沿隧道工程轴线上场地不同点处的土层、土组的随机分布概率计算模型。结合上海长江隧道工程场地内的164个地质钻孔资料，对其场地区域内不同土层、土组的随机分布概率进行了统计，并计算了各土层、土组沿隧道轴线方向上的随机分布规律，明确了工程各区间段的土层随机分布特征。 (3) 通过引入地质统计学理论和随机Markov链模型，将土层的随机分布剖面状态转换成土层的状态转移计数矩阵，建立土层随机转移状态预测模型，并针对一维的Markov链模型，将其拓展成条件一维Markov链模型，由此建立了二维空间土层随机转移状态预测模型。结合上海长江隧道工程地质勘查资料，编写了相应的计算程序对工程中的重点区域土层分布状态进行了预测模拟。 (4) 考虑土体参数的不确定性来源，即：空间变异性和系统不确定性，详细分析了土层参数的系统变异值和空间变异值的计算方法。通过引入工程风险分析理论，分析了土体参数估计的不确定性因素，利用极大似然理论建立了土体样本试验次数与其参数取值的风险损失函数关系，并讨论建立了土体参数试验次数的估算方法和土工试验风险效益计算。根据上海长江隧道工程土工试验数据资料，对其场地内的土体各物理、力学参数指标进行变异性分析。 (5) 分析了盾构隧道衬砌结构建设期主要风险因素和破坏类型，列出了衬砌结构风险评价等级标准，采用故障树理论建立了衬砌结构建设期风险估计的系

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 隧道工程事故统计
• 1.2.1 地质、水文条件
• 1.2.2 工程决策和管理
• 1.2.3 施工技术、设备和人员操控
• 1.2.4 工程周边环境条件
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 地层不确定性分析
• 1.3.2 隧道及地下工程风险分析
• 1.3.3 存在的主要问题
• 1.4 论文研究内容
• 1.4.1 上海长江隧道工程概况及风险分析
• 1.4.2 土层的随机分布规律与概率计算
• 1.4.3 土层的随机转移分析与状态预测
• 1.4.4 土体参数的变异性分析及估计
• 1.4.5 超大直径盾构隧道衬砌结构风险分析
• 1.4.6 超大直径泥水盾构开挖面稳定风险分析
• 1.5 论文创新点
• 第二章 上海长江隧道工程概况及风险分析
• 2.1 概述
• 2.2 上海长江隧道工程概况
• 2.3 工程水文地质条件
• 2.4 隧道工程结构设计
• 2.5 隧道工程施工
• 2.6 上海长江隧道工程风险分析
• 2.6.1 与其它重大隧道工程对比分析
• 2.6.2 工程建设特点分析
• 2.6.3 工程建设风险分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 土层的随机分布规律与概率计算
• 3.1 概述
• 3.2 地质勘察不确定性分析
• 3.3 土层组成定义
• 3.4 土层随机分布规律计算模型
• 3.4.1 土组群及土组随机分布概率
• 3.4.2 土层随机分布概率
• 3.4.3 土层联合分布及特定点处分布的概率
• 3.4.4 土组联合分布及特定点处分布的概率
• 3.5 上海长江隧道工程应用
• 3.5.1 表土层及土组分布概率
• 3.5.2 土层分布概率
• 3.5.3 土层联合分布及特定点处分布的概率
• 3.5.4 土组联合分布及特定点处分布的概率
• 3.6 本章小结
• 第四章 土层的随机转移分析与状态预测
• 4.1 概述
• 4.2 MARKOV链理论
• 4.3 土层随机转移的MARKOV链模型
• 4.3.1 模型假设
• 4.3.2 土层随机转移概率矩阵
• 4.3.3 土层随机转移MARKOV链检验
• 4.4 土层随机转移状态计算模型
• 4.4.1 二维MARKOV链模型
• 4.4.2 条件一维MARKOV链模型
• 4.4.3 条件二维MARKOV链模型
• 4.4.4 空间土层转移概率矩阵计算
• 4.5 土层的转移状态预测方法
• 4.6 上海长江隧道工程应用
• 4.6.1 工程地质钻孔纵剖面图
• 4.6.2 区域土层随机转移状态分析
• 4.6.3 区域土层随机转移状态预测
• 4.7 本章小结
• 第五章 土体参数的变异性分析及估计
• 5.1 概述
• 5.2 土体参数不确定性分析
• 5.3 土体参数的随机场模型
• 5.3.1 随机场理论
• 5.3.2 随机场的基本统计量
• 5.4 土体参数的变异性计算
• 5.4.1 土体参数的系统变异值
• 5.4.2 土体参数的空间变异值
• 5.4.3 土体参数变异性的综合分析
• 5.5 基于工程风险理论的土体参数估计
• 5.6 上海长江隧道工程应用
• 5.6.1 土体的物理参数指标
• 5.6.2 土体的力学参数指标
• 5.7 本章小结
• 第六章 超大直径盾构隧道衬砌结构风险分析
• 6.1 概述
• 6.2 衬砌结构建设期风险分析
• 6.2.1 衬砌结构破坏类型
• 6.2.2 衬砌结构风险因素辨识
• 6.2.3 工程风险评价与接受准则
• 6.3 基于故障树理论的隧道衬砌结构风险分析
• 6.3.1 衬砌结构故障树编制
• 6.3.2 衬砌结构故障树计算
• 6.3.3 衬砌结构风险因素重要度
• 6.4 基于可靠度理论的衬砌结构失效概率计算
• 6.4.1 极限状态方程
• 6.4.2 衬砌结构建设期风险分析
• 6.4.3 衬砌结构可靠性风险计算
• 6.5 衬砌结构建设期风险系统评价与分析
• 6.6 上海长江隧道工程应用
• 6.6.1 横断面条件事件失效概率
• 6.6.2 纵断面条件事件失效概率
• 6.6.3 衬砌结构建设期风险评价
• 6.6.4 风险因素重要度分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 超大直径泥水盾构开挖面稳定风险分析
• 7.1 概述
• 7.2 开挖面失稳破坏类型
• 7.2.1 泥水压力设定不当引起失稳
• 7.2.2 泥水介质过量流失引起失稳
• 7.3 超大直径泥水盾构泥水压力计算
• 7.3.1 开挖面稳定计算模型分析
• 7.3.2 复合土层泥水支护压力计算
• 7.3.3 垂直土压力计算
• 7.3.4 泥水介质支护压力计算
• 7.3.5 超孔隙水压力计算
• 7.3.6 最小泥水压力计算
• 7.4 超大直径泥水盾构动态掘进稳定分析
• 7.4.1 泥水渗入距离分析
• 7.4.2 盾构开挖掘进速度分析
• 7.5 超大直径泥水盾构开挖面稳定风险分析
• 7.5.1 基于稳定系数的开挖面风险分析模型
• 7.5.2 基于泥水压力的开挖面稳定风险分析模型
• 7.6 上海长江隧道工程应用
• 7.6.1 里程K0+589处开挖面稳定风险分析
• 7.6.2 里程K2+373处开挖面稳定风险分析
• 7.6.3 里程K7+396处开挖面稳定风险分析
• 7.6.4 不同泥水支护压力比下开挖面稳定风险评价
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.1.1 土层随机分布概率与转移状态预测
• 8.1.2 土层参数变异性分析与估计
• 8.1.3 盾构隧道衬砌结构建设期风险分析
• 8.1.4 超大直径泥水盾构施工开挖面稳定风险分析
• 8.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与研究成果