盾构施工全过程地表沉降流固耦合分析

发布时间：2020-08-23 17:44

【摘要】：盾构法因具有较多施工优点而被广泛应用于城市隧道建设中,但盾构开挖不可避免地影响周围土体变形,主要是盾构在不排水条件下产生的地层损失和扰动后的土体再固结。当地层变形超过一定范围时,就会危及到周围建(构)筑物和地下管线,从而产生较大的经济损失,特别是太原地质条件为富水软弱地层,盾构施工扰动伴随流固耦合效应,且相对缺乏施工经验,因此,采用水土流固耦合原理分析盾构施工过程引起土体变形具有重要意义。本文以太原地铁南内环~双塔西街标段为工程背景,采用理论分析、理论解析、正交试验和数值模拟相结合的方法,分析了盾构掘进参数引起地表沉降规律,且在分析过程中充分考虑流固耦合作用的影响,利用正交试验方法,为太原地铁提供一套较为完善的盾构推进组合参数,同时在该参数下系统研究了盾构机施工从模型始发到钢壳完全脱出地层全过程对土体的扰动,提出控制地表沉降措施,本文主要研究内容如下:(1)总结了国内外盾构施工采用的研究方法,详细阐述了盾构施工引起土体变形的机理和扰动范围,推出考虑重力的非均匀注浆压力引起最大地表沉降的解析式,进而表明该因素的重要性;对现有的数值模拟因素进行完善,即考虑盾构机外壳长度、开挖面支护压力、上大下小非均匀分布的注浆压力、流固耦合作用等,建立了更加符合实际工程的计算模型,并通过与宁波某区间实测数据对比分析,证明考虑流固耦合模型的必要性和数值模拟的正确性。(2)通过对影响地表沉降的因素进行规律分析,在综合考虑多种施工因素的条件下,拟合出地表沉降计算公式,采用正交试验的方法找到较优参数的组合形式,得出影响地表沉降的主要影响因子为注浆量。(3)基于正交试验得到较优的组合参数,建立流固耦合模型,选取开挖环数分别为6环、12环、18环、24环和26环时,通过观察监测断面的位移场、应力场、渗流场和塑性区的分布情况,分析盾构推进对土体扰动影响,以此掌握地表沉降全过程的发展规律以及证明所选参数的合理性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U231.3;P642.26
【图文】：

图 2-1 盾构施工示意图Fig. 2-1 Shield construction schematic diagram2.2 地层沉降原因盾构法因机械化程度高、交通干扰小等因素被广泛采用，但盾构开挖会破坏土体初始平衡状态，使隧道周围土体应力释放表现为失稳，如能得到有效且及时的支护，将减少应力释放，引起土体的变形值相对较小，且所波及到三维方向的变形能得到控制。盾构隧道在开挖土体、拼装管片以及壁后注浆等工序的过程中，不可避免会对周围土体产生扰动。影响地表沉降的因素是相互关联的，而不是单独孤立的，应该综合各影响因素，分析各因素对盾构隧道施工产生的影响，从而确定较为合理的影响因素，为盾构隧道施工提供有效的工程措施具有重要的价值和意义。2.2.1 地层损失

Tab.2-1 study of formation deformation 沉降原因 沉降机理水位降低 地层固结开挖面压力不足，过量取土，地层下沉地层损失开挖面压力过大，取土不足，地层隆起 盾构摩擦、盾构姿态 地层损失、地 盾尾间隙、注浆不足 地层损失以上各种因素 地层固结空间变化效应道轴线开挖，其空间变化情况如图 2-6，呈现以下特点：。地层变形沿着隧道中线不断向外延伸，在一定范围外未。地层位移大小与监测点距离隧道中心呈反比，越靠近隧，体现出盾构开挖的衰减性，如图 2-6。道施工地表沉降曲线呈高斯分布，如图 2-7，δ1，δ2，δ3

图 3-4 隧道开挖计算模型Fig. 3-4 Calculation model of tunnel excavation界条件模型及边界条件一般是对土体做试验和理论分析等最终得到的应力 构关系以适应不同工程需要。目前在实际工程中多将加精确地模拟结果，本次数值模拟选取摩尔库伦模准侧作为土体屈服判据。空模型指被开挖的材料，其用其他材料模型来代替进行回填模拟，除了将模型模型及边界条件均质流体，计算软件默认边界不透水，由于盾构施工时排水，故假定模型四周及底部不发生渗透，模型上

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本文编号：2801828