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盾构施工全过程引起的土体扰动与分层沉降特性研究

潘茁  
【摘要】:随着城市轨道交通网络的快速发展,地铁隧道与既有建(构)筑物的近接、交叉施工越来越普遍,由此产生的地铁施工引起既有建(构)筑物变形的控制已成为工程的主要关注点之一。盾构作为地铁隧道的主要施工方法之一,首先影响到周围土体,造成周围土体在一定范围内的扰动和变形,从而间接影响到邻近建(构)筑物,对既有建(构)筑物的变形控制可归结为控制施工所引起的周围土体扰动和变形。对盾构施工引起的周围土体扰动和分层沉降特性进行系统研究,将对控制其周围建(构)筑物和地面沉降具有重要意义,进而对城市地下轨道交通建设的安全控制发挥积极作用。本文结合北京地铁14号线“方庄站~十里河站”盾构区间工程实例,通过现场试验、理论分析和数值模拟三个方面的研究,系统地总结分析了盾构施工全过程的土体扰动和分层沉降特性和规律。主要工作和研究成果如下:1.沉降监测系统的构建、数据采集与监测(1)通过单孔单点的测点布置方法实现了盾构施工全过程地层土体分层沉降的实时监测。(2)从时空转换的角度,实现了单孔单点的沉降监测转换为单孔不同深度多点沉降监测,即充分利用时空效应,以动态的盾构刀盘平面位置作为参考点,以测点与盾构刀盘平面的纵向水平距离为坐标值,将单孔不同深度测点与盾构刀盘平面纵向水平距离L0相同时的数据进行提取,得到与盾构刀盘平面纵向水平距离L0时,单孔不同深度的多点位移数据。(3)利用“盾构施工实时监控系统”,提出了取17环施工参数的平均值作为单一概化断面的施工参数,使用多元回归分析对监测数据进行差异消除的数据处理方法,提高了“时空转换”的可信度。2.地表沉降特征及计算方法的适用性(1)对地表沉降时程曲线及横向沉降实测结果进行了分析,得到了地表沉降的变化规律。将地表沉降形成过程划分为五个阶段,其中对地表横向沉降槽形成影响较大的两个阶段分别为盾体通过时和管片脱出盾尾后。(2)对地表沉降的横向影响范围进行了分析,采用曲线拟合及单位长度沉降变化量两种方法得到了在以粘性土和顶部局部砂层的地层中,盾构施工引起的地表横向影响范围取2.5i较为合理,其中i为从隧道轴线至曲线拐点的横向水平距离。(3)探讨了既有地表沉降计算公式的适用性以及参数取值问题。对先后行隧道地表沉降的叠加影响进行了分析,给出了地表沉降叠加影响下最大沉降位置,并讨论了后行隧道地表沉降与先行隧道相比偏小的主要原因。3.地层土体分层沉降特征及其计算模型的修正(1)总结分析了地层土体分层沉降的实测数据及其规律,研究了地层土体分层沉降形成过程的关键阶段,结果表明,在粘性土和砂层地层情况下,地层分层沉降主要发生于隧道拱顶正上方1m的范围内,与其上部土体相比盾体通过阶段沉降比例较大,应采取有效措施予以控制,而同步注浆对该范围内管片脱出盾尾阶段分层沉降影响较大。(2)探讨了土体扰动区域分布现有模型的适用性,在此基础上提出了一种新的模型用以分析盾构施工刀盘前方土体扰动变形分布范围。(3)基于精细化监测结果,提出了盾构施工全过程扰动范围的分区方法,界定了各区域的具体分布范围,将盾构施工土层扰动分为显著扰动区、扰动过渡区和沉降影响区。(4)对先后行隧道施工扰动区域内地层土体分层沉降的叠加影响进行了分析,讨论了考虑叠加影响后与拱顶不同距离处土体的分层沉降规律,并给出了叠加影响下最大分层沉降的相应位置。4.土体变形计算方法研究初探(1)分析了土压平衡盾构施工空隙分类,讨论了影响土体变形的因素,其中盾构施工过程土体变形的主要影响因素包括地层原始应力状态的改变和地层损失(实际开挖出土量多于设计理论量)。(2)基于土体不排水假定,推导得出了正常施工条件下盾构推力引起的土体变形计算公式。根据盾壳摩擦力作用形式的不同,给出了对应的三种计算模型。得到了同步注浆压力竖向分量与水平分量分别引起的土体变形计算公式。采用matlab编制相应程序进行计算,分析各因素条件的土体变形规律。(3)提出了所研究土体中地层损失引起的土体变形计算二维和三维解。该计算公式考虑了土体泊松比以及土体的非等量径向移动,能够进行土体沉降随盾构推进的全过程计算。(4)提出了盾构推力、盾壳摩擦力、同步注浆压力以及地层损失四因素作用下盾构施工地层变形计算公式。计算结果表明应重点考虑盾壳摩擦力、同步注浆压力竖向分量以及地层损失三因素对土体变形的影响。5.土体沉降数值模拟建立了考虑土压平衡盾构施工特点的土体分层沉降有限元模型,通过对比先后行隧道施工引起的土体分层沉降等值线,讨论了同一深度不同施工阶段以及同一施工阶段不同深度土体分层沉降规律;在此基础上,根据现场试验监测结果和数值模拟分析结论,对比两者得到的地表沉降及地层土体分层沉降特性,结果表明数值模拟所得的沉降结果在整体趋势上与实际情况相同,可用于对土体沉降的预测,作为现场试验研究的补充。


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