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地铁盾构施工引起的地表沉降研究

陈鑫超  
【摘要】:地铁盾构施工法由于其机械化程度高、土层适用广、施工进度快、对周围环境的影响小等优势而被广泛运用于城市地铁建设中。但盾构施工会切削土体,势必会对地层产生扰动而产生地表沉降,这不仅影响到施工的安全,还影响到地面道路、地表建筑物、地下管线等设施的安全。论文以巴黎地铁14号线北延长线的盾构工程为背景,对使用土压平衡盾构机进行地铁隧道建设中沉降监测系统的设计、地表沉降规律以及减少沉降的措施进行了研究,这对地铁盾构施工工作具有一定的实用价值。论文通过研究地铁盾构法的工作原理和施工过程,探讨了由于施工力学行为对土体压力或应力、孔隙水压力的影响而导致的土体变形和固结沉降,分析了地层移动的时空效应。梳理了盾构刀盘超挖、盾构后退、注浆材料、土质、设计轴线、管片变形等因素对地层移动的影响。依据巴黎地铁十四号线北延长线的平、纵断面设计和工程地质情况,考虑地铁盾构施工的特点,设计了地面沉降监测系统方案,研究了沉降监测方案的设计原则、监测内容、监测点布设、监测数据采集与反馈。探讨了在施工过程中使用全站仪、棱镜、测斜仪、沉降仪对地表建筑物、地表道路的沉降以及土体内部位移的监测目的、监测方法、监测频率、报警阈值。运用Plaxis2D软件,使用理想弹塑性本构模型和Morh-Coulomb屈服准则,在考虑隧道结构、地质状况、管片、注浆、土舱压力的基础上对巴黎地铁十四号线北延长线中一段隧道的盾构施工的开挖过程进行模拟,分析隧道周围土体的变形情况,对比软件模拟结果与地表监测系统的实测数据,发现两者相差不大,验证了有限元数值分析软件在工程中使用的可行性与可靠性。只要选择合理的分析模型和计算参数,有限元法可以为盾构工程的设计和施工提供参考,是一种行之有效的分析工具,并且比传统的实测和模型试验更为方便、快捷、准确、灵活、经济。分析细粉砂层、砂-粘复合地层以及含卵石黏土层的地表沉降数据,对比软件模拟的沉降槽曲线与实测沉降槽曲线,研究了横向及纵向地表沉降规律。发现在细粉砂层中盾构通过后地表的沉降较另外两种要大,在含卵石黏土层中的沉降最小。在单一土层中地表沉降的趋势较为缓和,而在复合地层中沉降变化起伏较大,因此应该对在复合地层中掘进时的地表沉降进行更密切的监测,结合监测数据,合理调整施工参数,在最大程度上减少地面沉降,保证隧道施工安全。根据对沉降机理和规律的研究,提出控制前舱压力、推进速度、同步注浆、螺旋输土机出土量、二次注浆、改良剂的使用、盾构纠偏等施工手段来控制地表沉降,能为今后的盾构工程项目提供一些参考。


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