高速铁路水下盾构隧道结构力学特征及掘进与对接技术研究

论文摘要

摘要：从环保要求与可持续发展战略考虑,水下隧道必将是我国跨江越海交通工程的主要选择方式。广深港高速铁路狮子洋隧道作为我国首座特长水下铁路隧道,设计速度达350km/h,也是我国首次采用盾构对接方法施工的水下隧道,其建设理念与方法对今后我国跨江越海工程的建设具有很大的借鉴作用,因此研究狮子洋水下盾构隧道的修建技术,不仅具有重要理论意义,而且具有重要的社会经济意义。本论文以广深港高速铁路狮子洋隧道工程为依托,对高速铁路水下盾构隧道结构力学特征及掘进与对接技术进行了深入的研究。主要研究内容和成果如下：（1）对盾构管片结构设计方法进行了较系统的研究。首先总结了传统管片设计结构模型对各项设计参数的取值,分析其不足之处；之后,确定采用修正后的梁-接头模型作为管片结构设计方法,进行了数值模拟计算,并通过大量的原位测试,验证了管片结构接缝和管片均处于受压状态,提出了管片结构的荷载折减与提高隧道经济性的设计措施等观念。（2）由于管片隧道为拼装式结构,拼装式管片在其周边介质的发生变化时会成为外扩式不稳定结构,极易导致隧道的失稳。通过采用修正的梁-接头模型方法,分析了拼装式管片衬砌的可能破坏特征,论证了水下盾构隧道增加二次衬砌确保隧道结构稳定,提出了设置二次衬砌的必要性。（3）在狮子洋隧道施工中,通过大量监测数据,并对由隧道施工引起的地表沉降进行分析,得出隧道纵向、横向地表沉降规律；分析了隧道施工各种地层土体的水平位移,总结了其相应的水平位移规律。同时得出了盾构隧道本体除了出现整体上浮外,几乎没有相对位移、地表隆沉与隧道本体结构变形无直接关系的结论,因此建议今后对盾构隧道可不必进行隧道本体变形监控量测。（4）针对狮子洋隧道横向与纵向均存在软硬不均问题所带来的盾构掘进与控制的技术难度,通过对岩土层磨蚀性与岩土成份试验,对刀具的金相和磨损规律进行了研究,提出了有效的刀具磨损规律方程。通过对0.67MPa高水压下刀具更换技术的研究,提出了减压限排换刀技术,并根据不同地段盾构刀具的掘进效果评价,对狮子洋隧道盾构刀具进行设计与改进。（5）根据现场不断变化进度情况,详细研究了多处狮子洋隧道对接点的工程地质及水文地质,并相应对接点的贯通精度进行了估算,确定了合理的隧道洞内控制测量精度；利用离心试验和数值模拟分析,确定满足对接处的隧道稳定的预留对接宽度不应小于2.5m,但在保压状态下对接宽度在0.5m是也是安全的。实际施工时,采用了在两台盾构相距20～30m时,一台盾构停止掘进并保压,另一台盾构向前掘进无限对接,然后在盾壳的保护下,拆除盾壳内部构件,并将两刀盘外圈梁焊接联通隧道,再施工钢筋混凝土衬砌的施工方法,达到了安全、精确、高效的对接目标（平面误差小于30mm、水平误差小于20mm）,为水下盾构隧道相向掘进对接提供了宝贵经验。本文就广深港高速铁路狮子洋隧道的主要修建技术进行研究与分析,期望其成果对我国将来的跨海隧道建设提供参考与借鉴。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的工程背景及研究意义
• 1.1.1 工程背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外的发展与研究现状
• 1.2.1 水下隧道的发展与研究现状
• 1.2.2 水下盾构隧道的发展与研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容与研究方法
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法与技术线路
• 1.4 论文的创新点
• 2 水下盾构隧道结构力学特征与设计优化
• 2.1 概述
• 2.2 管片结构设计基本方法
• 2.2.1 荷载结构模型
• 2.2.2 管片接头的力学模型
• 2.3 管片结构力学特征分析
• 2.3.1 管片结构荷载
• 2.3.2 管片结构内力特征分析
• 2.4 水下盾构隧道二次衬砌必要性分析
• 2.4.1 盾构隧道工程事故的教训与启示
• 2.4.2 隧道周边弹性抗力的影响
• 2.4.3 特殊荷载作用下管片受力分析
• 2.4.4 狮子洋隧道二次衬砌实测受力分析
• 2.5 本章小结
• 3 水下隧道盾构掘进地层变形与控制技术
• 3.1 泥水盾构施工地表沉降变化规律及影响因素
• 3.1.1 泥水盾构施工地表沉降监测点布置
• 3.1.2 隧道纵向地表沉降的总体结果与分析
• 3.1.3 地表横向沉降分析
• 3.2 水下盾构施工土体水平位移分析
• 3.2.1 软岩段土体水平位移测试
• 3.2.2 软硬不均段土体水平位移测试
• 3.2.3 硬岩段土体水平位移测试
• 3.2.4 土体水平位移规律分析
• 3.3 软土地层的沉降控制
• 3.4 本章小结
• 4 高磨耗性地层盾构刀具与减压限排换刀技术
• 4.1 狮子洋隧道盾构原刀盘与刀具
• 4.1.1 狮子洋盾构机刀盘结构及主要参数
• 4.1.2 狮子洋盾构刀具配置及主要参数
• 4.2 狮子洋隧道岩石地层的特性
• 4.2.1 主要岩石的矿物成份分析
• 4.2.2 岩石磨蚀性试验
• 4.3 不同地段盾构刀具的掘进效果评价
• 4.3.1 掘进效果分析
• 4.3.2 软土地段的盾构刀具配置与效果
• 4.3.3 软硬不均地段的刀具使用分析
• 4.3.4 全断面硬岩地段的刀具效果评价
• 4.3.5 刀具材质试验与分析
• 4.4 狮子洋隧道盾构刀盘的优化设计与改进
• 4.5 减压限排换刀技术
• 4.5.1 不同气压下隧道渗流场数值模拟
• 4.5.2 不同地层条件下减压限排换刀技术
• 4.6 本章小结
• 5 水下隧道盾构地中对接关键技术
• 5.1 盾构隧道相向掘进对接方法简介
• 5.2 狮子洋隧道对接点的设计选择与洞内控制测量设计
• 5.2.1 对接点的设计选择
• 5.2.2 测量方案与测量精度的控制
• 5.2.3 测量对隧道贯通精度的影响值估算
• 5.2.4 对洞内控制测量的要求
• 5.3 对接区围岩稳定性的离心试验
• 5.3.1 离心加速度的确定
• 5.3.2 模拟材料的确定
• 5.3.3 模型尺寸的确定与模型制作
• 5.3.4 试验设备与测点布置
• 5.3.5 离心试验过程与结果分析
• 5.4 离心试验过程围岩稳定性数值分析
• 5.4.1 计算模型及计算参数
• 5.4.2 离心加速度达到50g,恒定气压时计算结果
• 5.4.3 离心加速度为50g,撤掉气压时计算结果
• 5.5 狮子洋隧道的对接施工与效果
• 5.5.1 狮子洋隧道对接区域的选择与对接施工
• 5.5.2 狮子洋隧道对接施工效果
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论与成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的论文、著作及学术活动
• 学位论文数据集