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苏州软土地层小净距隧道盾构施工交互影响机理研究

余莉  
【摘要】:随着城市化建设的不断深化,为解决城市交通拥挤的现象,对地下空间的开发和利用也成为当今城市发展的需求。城市地铁隧道不是城市一诞生就有所规划,而是随着城市的逐渐发展而随之产生的,因此,地铁规划和建设不仅要保证地面建筑物的安全,还要保证施工时不能破坏地下管线。在地铁选线时,一般都是沿着城市地表道路,一方面是为了乘客乘车的方便,另一方面是为了避开高层建筑物的桩基、地下室等。因此,按照《公路隧道设计规范》对小净距隧道的定义(在软岩地段两隧道净距小于4B为小净距隧道,B表示隧道宽度),那么城市地铁大部分都是小净距隧道,但机械盾构施工与山岭隧道的新奥法施工不可同日而语,且土体与岩体性质也有较大差异,在苏州软土这种条件下,城市地铁小净距盾构施工的交互影响关系到底是怎样的?基于此研究目的,本文提出了从宏观、细观、微观方面相结合的研究方式,探讨先行洞与后行施工的交互影响关系,为类似工程提供参考依据。本文在宏观方面,通过数值模拟与现场实测地表沉降的规律进行分析,总结宏观上的交互影响规律,为细观试验方案的设计提供思路;在细观方面对管片的分析,是通过数值模拟与现场实测管片的三向应力(径向、轴向和环向)状态,分析先行洞和后行洞施工的交互影响规律,一方面验证宏观交互影响规律的可靠性,另一方面为土体力学试验方案设计提供思路;在细观方面对土体力学试验分析,根据宏观交互影响规律与管片受力的交互影响规律设计实验方案,分析土体在多次受力条件下的变化规律,为微观试验方案的设计提供思路;在微观方面对土体的结构进行了对比分析,得出了交互影响在微观土体方面的规律。通过上述分析,本文的主要研究成果为:(1)苏州软土地层的地质成因环境具有特殊性。该区土体主要为内陆湖相沉积,其层厚在5~30m且分布不均匀。通过对比其它地方的软土,可知苏州软土地层具有相对较低的含水量、孔隙比、内摩擦角,较高的压缩模量与粘聚力。由于土质的不同,盾构施工时其交互影响规律也不同于其它地区。(2)从宏观方面,通过数值模拟对不同净距(0.25D、0.5D、0.75D、1D、1.25D、1.5D,D为盾构外径)的地表纵、横向沉降的交互影响沉降规律进行分析,得到了以下较重要的结论;先行洞施工对后行洞的影响规律,主要表现在以下几个方面:①先行洞施工对周围土体产生了扰动,使得后行洞的地表纵、横向沉降量较先行洞的值增大。②先行洞自身的施工过程(随着施工步的增加),在自身的周围形成了不同程度的扰动固结圈,在本文中归结为强扰动固结圈(范围为0~0.25D)、弱扰动固结圈(0.25~0.75D)、扰动无固结(1D~1.5D)。自身形成的固结圈,使后行洞施工受先行洞扰动固结圈的影响,对先行洞周围土体扰动随净距的变化而改变。后行洞施工对先行洞的影响规律,主要表现在以下几个方面:①后行洞施工对先行洞的影响是一个过程(对于某一监测断面,在未到达时、经过时与通过后),这个过程表现在纵、横向沉降曲线上,为先行洞地表沉降速率的先增大后减小。说明先行洞周围土体的受力也是一个过程量,即受到挤压、挤压与剪切并存、拉伸的过程,在自身结构周围形成扰动固结圈,使得地表的土体受力表现为为拉伸、拉伸与剪切与挤压的过程,沉降量随之而增减。②后行洞施工对先行洞的影响的这个过程(未到达时、经过时与通过后),对比纵、横向沉降值,先行洞地表土体沉降速率经历了先增大和后减小的过程。说明先行洞地表土体在盾构施工通过后有回弹的现象,且根据沉降量的回弹值始终小于沉降值,说明后行洞施工扰动使先行洞的扰动固结圈有增大的趋势。③后行洞施工对先行洞的影响随着净距的不同而不同,当净距在0.25~0.75D(D为盾构机外径)时,先行洞的地表纵、横向沉降量随着后行洞施工步的增加,沉降值随着净距的增大而减小,而在1.0~1.5D时,沉降值是随着净距的增大而增大。从该结果说明,先行洞施工后形成了扰动固结圈,使得一定净距内的该区软土土质变均匀,同时其工程性质也变好,使得后行洞施工对先行洞的扰动较小。根据此结论,提出了在该区施工时,盾构的最佳净距为0.75~1D左右。(3)在细观的管片方面,通过有限元数值模拟与现场监测管片的三向(径向、轴向和环向)受力特征的分析,可以得出以下的结论:①先行洞盾构施工对后行洞施工的影响,在管片上的表现为在同一监测断面上,先行洞管片的受力状态与后行洞管片的受力状态截然不同,且后行洞的管片三向受力根据监测位置(同一断面)的不同其变化趋势不同。说明先行洞施工对后行洞管片受力造成了影响。②后行洞盾构施工对先行洞管片的影响,在管片的表现上为在同一监测断面上,是一个动态的过程,即后行洞盾构施工未到达、到达时、通过该监测断面时,先行洞管片的受到了相应的扰动,即先受压、然后受压与受剪、再受拉的过程,这种变化规律在径向、轴向和环向的受力状态上都有体现。③通过对苏州地铁4号线地铁盾构施工的先行洞的管片设计了测量三向受力状态的现场测试试验,即用压力盒测量管片背面的径向应力,用应变计测量管片内侧的轴向应力和环向应力,通过分析监测数据,证明了后行洞施工对先行洞管片的影响是一个挤压、挤压与剪切、拉伸的过程,证明了数值模拟结论的可靠性。且后行洞施工对先行洞的影响,主要是对隧道管片结构的左、右侧拱腰的影响较大,对弧底和弧顶影响较小。(4)在细观的土体方面,通过室内试验可以得到以下结论:①通过对比原状土与受先行洞施工扰动软土的压缩-固结试验可知,受扰动土体的变形量减小、孔隙比减小与压缩模量增大,说明受扰动的土体性质变好,可以证明先行洞施工后在管片周围形成了扰动固结圈。②通过对比原状土与受先行洞施工扰动软土的压缩-固结试验,分析该软土的变形速率随着荷载的增加而减小,说明土体的固结是受荷载与时间的影响的。相对于盾构施工,也就是先行洞施工对自身周围的土体影响是最大的,后行洞的施工对先行洞周围土体的影响值减小。③根据直剪试验可知,对比原状土与受先行洞施工扰动软土的粘聚力和内摩擦角,发现内摩擦角与粘聚力都随着盾构施工的扰动而增大,说明在施工的扰动过程中,土体的抗剪强度增大。④对比压缩-卸荷-剪切与纯剪切试验的粘聚力与内摩擦角,可知内摩擦角与粘聚力在受压缩和未受到压缩是不同的。做过压缩试验的样本其粘聚力和内摩擦角明显增加,说明盾构隧道周围在受到挤压力作用后,确实有固结的现象,证明扰动固结圈的存在。⑤探讨了扰动固结圈的形成条件:a、土体需要受到外荷载作用;b、土体在受力作用下具有排水的通道:c、土体在固结作用下需要有变形的响应。对于盾构施工过程来讲,未达到监测断面时提供的是挤压和剪切力,使得土体先松动,提供排水通道;当施工通过监测断面时提供的拉伸作用,土体相当于受到了挤压作用,从而形成固结作用,又由地表变形进行协调。(5)在微观方面,通过观察先行洞施工前后原状土样和经过力学实验土样的微观结构,可以得到以下结论:①原状土样的颗粒分布较零散的,而经过压缩阶段后,土体颗粒的排列紧密了、均匀了:而当经过压缩-卸荷-剪切后,土体的排列依然紧密,但剪切的边缘的土体颗粒发生了偏转。说明在盾构施工的这个过程中管片周围土体是向密实和均匀化发展的。②受施工扰动的原状土样的颗粒朝着密实的方向发展,说明盾构施工的扰动使得土体有固结的现象。③土体在盾构施工扰动过程中受到的是挤压、剪切与拉伸过程,先使得周围土体发生松动,渗透性增大,但当盾构施工通过后,土体的受力又迅速变为向洞内的径向应力,这时候就会形成扰动固结效应,分布在盾构支护结构的周围,经过一段时间就形成了扰动固结圈。属性不符


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