地铁盾构施工对邻近结构物的影响预测与控制方法

论文摘要

21世纪是地下空间开发利用的世纪,盾构法以其施工进度快、对地面交通影响小、质量易控制、防水性好等优点在其中扮演着重要角色。但是由于地质条件和施工工艺的限制,盾构推进仍不可避免对周围环境产生扰动,改变土体的初始应力状态引起土体位移。当土体位移超过一定范围时,会危及地铁结构本身以及邻近结构物的安全与正常使用,使邻近结构物倾斜、扭曲等,从而引起一系列环境效应问题。因此预测和控制盾构施工对邻近结构物的影响具有十分重要的学术价值和工程应用价值。以成都、深圳地铁为背景,采用数值模拟和模型试验手段,探讨了城市盾构施工对周围环境影响的机理,并针对地铁盾构施工对邻近结构物的影响进行了预测分析和控制方法研究。主要开展了以下工作:1、分析了地铁盾构施工引起地层沉降的原因、机理和发展过程,探讨了盾构施工对邻近结构物的影响因素、施工控制指标以及施工控制措施。2、采用三维有限元方法对盾构下穿地铁股道、刚性扩大基础、人行地道、立交桥桩基础、既有盾构隧道等邻近结构的动态施工进行了数值模拟,预测了盾构隧道的施工对邻近结构物的影响规律;利用控制指标判定了结构物的安全性,并有针对性的对控制方法进行了分析研究。3、基于“盾构—地层—结构”系统相似的概念,在选择对试验结果影响显著的相关参量基础上,利用量纲分析法推导了盾构—地层—结构系统相似的相似准则,在该准则的约束下设计实施了盾构掘进模型试验。4、对模型试验的量测数据进行分析,得出了邻近结构物位移和内力在盾构动态施工过程中的一般变化规律;研究了顶推力、出土率、推进速率、注浆填充率等盾构掘进核心参数对地层及邻近结构物的影响;并将模型试验成果与数值模拟成果进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 盾构施工引起土体变形研究现状
• 1.2.2 盾构施工对邻近结构物影响研究现状
• 1.3 本论文主要的研究内容和方法
• 第二章 盾构施工的影响机理与控制措施
• 2.1 盾构施工原理
• 2.2 盾构施工对地层的影响
• 2.2.1 地层变位的原因
• 2.2.2 地层沉降的机理
• 2.2.3 地层沉降的发展过程
• 2.3 盾构施工对邻近结构物的影响
• 2.3.1 邻近结构物外力条件变化类型
• 2.3.2 邻近结构物影响形式
• 2.4 施工影响的控制标准
• 2.5 盾构施工控制措施
• 2.5.1 主动控制措施
• 2.5.2 被动控制措施
• 2.6 本章小结
• 第三章 典型工点盾构施工的数值模拟
• 3.1 盾构下穿北站股道的影响预测与控制
• 3.1.1 工程概况
• 3.1.2 计算模型
• 3.1.3 计算结果
• 3.1.4 施工控制分析
• 3.2 盾构下穿轻工大厦基础的影响预测与控制
• 3.2.1 工程概况
• 3.2.2 计算模型
• 3.2.3 计算结果
• 3.2.4 施工控制分析
• 3.3 盾构下穿华西医大过街人行通道的影响预测与控制
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 计算模型
• 3.3.3 计算结果
• 3.3.4 施工控制分析
• 3.4 盾构下穿机场立交桩基的影响预测与控制
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 计算模型
• 3.4.3 计算结果
• 3.4.4 施工控制分析
• 3.5 购福区间隧道下穿地铁1号的影响预测与控制
• 3.5.1 工程概况
• 3.5.2 计算模型
• 3.5.3 计算结果
• 3.5.4 施工控制分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 区间盾构隧道施工的模型试验原理及方案
• 4.1 基本相似理论
• 4.1.1 相似理论基本概念
• 4.1.2 相似三定理
• 4.2 模型试验相似准则的导出
• 4.2.1 量纲分析法
• 4.2.2 盾构—地层—结构系统的相似准则
• 4.3 “探索者”号土压平衡式模型盾构机主要技术系统
• 4.3.1 盾构机壳体
• 4.3.2 掘削系统
• 4.3.3 推进系统
• 4.3.4 出碴系统
• 4.3.5 模型盾构机控制台
• 4.3.6 本次试验的设备改进
• 4.4 试验土槽设计
• 4.5 相似材料
• 4.5.1 地层模拟
• 4.5.2 邻近结构物模拟
• 4.6 盾构模型试验掘进核心参数
• 4.6.1 模型试验基本参数表
• 4.6.2 顶推力
• 4.6.3 出土率
• 4.6.4 刀盘、螺旋出土器转速及推进速度
• 4.7 掘进试验量测项目
• 4.7.1 位移测量
• 4.7.2 土压力测量
• 4.7.3 结构内力测量
• 4.7.4 其他量测
• 4.8 试验步骤
• 4.9 本章小结
• 第五章 区间盾构隧道施工的模型试验成果分析
• 5.1 桩基础试验成果
• 5.1.1 桩基础位移
• 5.1.2 桩基础内力
• 5.2 独立基础试验成果
• 5.2.1 独立基础侧向位移分析
• 5.2.2 独立基础竖向位移分析
• 5.3 试验控制成果
• 5.3.1 顶推力控制
• 5.3.2 出土率控制
• 5.3.3 推进速度控制
• 5.3.4 注浆填充率
• 5.4 试验与数值模拟成果对比分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 进一步研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目