苏州地铁盾构近接施工力学机理与控制技术研究

发布时间：2018-07-14 10:59

【摘要】：随着城市化建设的不断深入,城市地铁数量及规模不断扩大,受地质条件的制约和限制,盾构法已成为目前地铁工程建设的主要施工方法。由于受到既有结构物、地质条件、地下空间等因素的影响,新建城市地铁隧道双向之间的距离较近、穿越或近接既有地铁隧道或其它结构物的现象不可避免,新建近接隧道之间或新建隧道与近接既有结构物之间存在着复杂的力学问题与施工问题。而且地铁隧道一般埋深很浅,对开挖扰动极其敏感,当新建(后行)地铁隧道近接既有(先行)隧道或其它结构物时,若不采取相应控制与保护措施,将会对既有(先行)隧道或结构物造成破坏性后果。新建地铁隧道盾构施工往往会引起周围地层的土体扰动,从而对既有隧道结构产生附加应力,如果附加应力超过既有隧道结构的强度,就会造成隧道管片错位、开裂等,导致地下水侵入,影响既有隧道的正常使用。与此同时,既有隧道的结构变形会引起周围土层扰动变形,继而威胁新建隧道的施工安全。因此,如何控制和降低近接施工两条隧道的相互影响是地铁盾构法施工的核心问题,已经引起了岩土工程界的广泛关注。由此可见,对地铁盾构近接既有隧道施工时的力学机理及相互影响的研究显得尤为重要。虽然在这方面,国内外已进行了大量的研究,但是对盾构近接施工的力学机理的研究还不够深入,特别是针对复杂地质条件下如特殊软土地层中盾构近接施工方面可供参考的实践经验则更为欠缺,而且缺少对不同近接影响程度的近接盾构施工控制措施方面的研究,对城市地铁近接施工的力学机理及控制措施展开相关方面的研究有着重要的理论研究价值和实践指导意义。苏州市轨道交通4号线是城市轨道交通线网规划的重点线路之一,采用盾构法施工,按照先独立施工完右行线再施工左行线的方式进行地铁隧道开挖；其中安元西路站～春申湖路站区间工程地铁隧道净距在4.5m～8m之间,根据相关研究和规范,该区段属于强影响范围,由此可见施工期间后行洞对先行洞的影响明显。此外本区间地铁隧道主要穿越湖相粉质黏土层,岩土体工程性质复杂。所以,如何有效地控制先后行洞近接施工带来的地而过大变形,以及后行隧道施工对先行隧道产生的过大应力应变问题是工程建设亟待解决的重要问题。在上述工程背景条件下,论文以苏州市轨道交通4号线(主线)安元西路站-春中湖路站区间段为依托,采用室内试验、理论分析、数值模拟、现场监控量测分析、数学分析等方法分析近接地铁盾构施工控制技术、近接先行隧道结构在施工影响下的受力与变形以及周围地层的变形等,针对不同的区域采取不同的盾构施工控制措施以维护先行隧道的稳定,为地铁盾构施工现场应用及类似工程提供指导与参考。论文首先通过现场调查掌工程地质条件与各类近接物分布情况,选取了最小净距为4.5m时的研究区段。分析了研究区域工程地质条件的性质,对区间代表性土体进行取样并获取了相关物理力学参数,在此基础上,计算提出了此条件下的盾构匹配参数。从理论上进行了盾构隧道近接施工的共同作用机理与应力应变分析。同时,结合三维数值模拟软件ABAQUS对后行洞近接施工通过先行洞监测断面时以及通过先行洞监测断面后的各种工况进行模拟和计算,并得出相应的结论。采用现场监测手段获得了盾构施工过程中的盾构管片应力应变、地层变形、以及盾构匹配参数等,通过对数值分析和现场监测数据的分析整理,提出了以控制土层位移和管片结构受力为目的盾构施工控制技术体系。论文的主要研究内容及结论包括：(1)对研究区的土体进行了现场取样,并进行了物理力学试验,分析得出研究区域土体的物理特性以及抗压强度、抗剪强度等物理力学参数。通过物理特性试验发现：该地区隧道穿越的土体为湖相沉积土,含腐植质,土体饱和且流塑,不具明显的流动性,且比较均质,不含砂土、鹅卵石等。结合土体的压缩强度试验,确定了土体在累积逐级的荷载作用下土体的应力应变特征,随着压力增大,各土体的压缩模量都随之增大。利用室内土体剪切强度试验,确定了该区土体的剪切力学参数,并分析各土体随竖向荷载的变化其抗剪强度的变化的敏感程度,发现①3素填土随竖向荷载变化其抗剪强度变化最大。通过土体压缩-卸荷-压缩循环试验和压缩-卸荷-剪切循环试验,分析了研究区域土体在三轴循环加载卸载的条件下的力学特征,发现经过压缩-卸荷-压缩循环试验的土样的压缩性得到降低,变形减小,抗剪强度的得到提高,抗剪性变大。(2)确定了盾构的类型及主要的工作参数。依据地层渗透系数、地层颗粒级配与地下水压特征,从环保经济高效的角度,确定了采用土压平衡盾构机最为合理。通过理论计算并结合类似工程的施工经验,确定了盾构掘进过程中的主要工作参数,包括平衡压力、掘进推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、出土量及注浆参数等。(3)通过对盾构单洞施工的力学分析,得出盾构施工对周围土体主要产生挤压-剪切-卸荷的作用,且在隧道周围产生相应的扰动区域。根据盾构单洞施工开挖支护后地层的位移分析,认为支护对控制土体变形具有重要作用。针对苏州地铁近接施工进行施工力学机理分析,确定了后行隧道施工对先行隧道的影响也是一个挤压-剪切-卸荷的过程。(4)通过盾构施工过程力学分析,将后行洞开挖引起的作用于先行洞的附加应力简化为水土压力及推进力分力之和,建立了盾构机通过先行隧道监测断面时的二维分析模型,在左边界施加计算土压力0.22MPa的均布荷载,得到土体最大变形约为3.8mm,管片产生竖向变形,最大变形量约为1.8mm,临空面土体位移得到有效控制,说明计算得到的土压平衡力是合理的。(5)后行洞工作而到达监测断面时,当推挤力在0.22MPa-0.72MPa范围内,管片变形量及变化幅度相对较小,管片变形量在10mm以内；随着推挤力的继续增大,管片变形速率明显增大,在0.72MPa处出现拐点,变形量超出10mm。当推挤力为0.72MPa时,监测断而的应力与实际监测的最为接近,且管片变形量在允许范围之内。综合考虑施工效率及施工安全,将0.72MPa作为后行隧道近接施工土舱压力参数修正的依据。(6)建立了后行洞通过先行洞后的三维数值分析模型,分析了后行洞通过先行洞监测断面后管片的径向应力、环向应力及轴向应力等三维应力状态。计算表明：近接施工中,后行隧道对先行隧道影响这要表现在管片周围受力不均,沿管片周长方向环向应力呈现波动状,容易造成管片的损坏；另外,近接位置处管片变形明显大于远离近接区域,管片变形差值大,在施工过程中应控制施工条件保证施工的安全进行。后行隧道施工时,使得先行隧道拱顶处出现沉降,拱底处出现隆起,在竖向变形作用下,管片向两侧加压土体,使得土体产生向隧道外部移动的趋势。近接施工时,后行隧道对先行隧道左侧产生的变形最大,而右侧变形最小,左洞开挖完成后,右洞管片监测断面左侧最大位移为6mm,右侧最小位移为1.5mm。(7)通过对现场先行洞管片进行应力应变监测发现：后行洞工作而远离监测断而时,监测断而环向应力较径向应力和轴向应力大,先行洞管片拱顶与左拱腰处管片径向应力随着工作而的远离有减小的趋势,管片底部径向应力随着工作而的远离有增大的趋势,而管片右拱腰处的径向应力几乎不随着隧道的掘进产生变化。随着后行洞盾构的掘进,先行洞管片±45°处沿管片环向应力基本保持不变,轴向应力整体上呈增大的趋势。左洞开挖对右洞管片水平位置处的应力影响较为复杂,对其沿周长方向环向应力呈波动状,轴向向应力整体上呈减小的趋势。(8)通过现场地表位移监测得到：先行隧道及后行隧道施工产生的地表总位移变化规律符合近接双孔平行隧道施工地表沉降规律,且在盾构机到达C3、C4监测断面前,距离为5m时,隧道上方地表主要发生隆起变形,后行隧道上方产生最大隆起量,其值分别为1.28mm、1.65mm,这说明盾构施工参数不合理导致盾构通过前周围土体受挤压作用,最终引起地表隆起；盾构机通过监测面C5后,隧道在先行洞上方地表产生最大沉降,其值为25.2mm,接近控制标准30mm。这说明盾构施工过程参数存在一定的不合理性,需要调控盾构施工参数。(9)通过数值模拟、现场监测数据反馈分析,结合相关工程经验,提出了盾构近接控制技术的基本准则,对盾构近接施工参数进行了控制分析。分析盾构机通过C3、C4监测断面前5m时隧道上方地表隆起变形机理得到,造成地表隆起的原因可能是土舱压力或掘进推力设置过大等。需要适当减小土舱压力或掘进推力,可将土舱压力进行适当减小0MPa～0.02MPa,而盾构的推力则可考虑进行适当减小0kN～220.85kN。(10)盾构机通过监测面C5后,隧道在先行洞上方地表产生最大沉降,其值为25.2mm,接近控制标准30mm,分析发现是由于盾构在同步注浆过程中的注浆量不足或者推进速度过快等引起的,需要适当增大注浆量或减小推进速度。可以将注浆量动态进一步增加0～0.5m3/环之间,且应根据现场的实际情况及工期要求调整推进速度。隧道在粉质黏土掘进过程中,为避免出现“磕头”的现象,盾构姿态应始终保持为稍微抬头的趋势,俯仰角宜控制在3-5mm/m之间。同时盾构机轴线与设计轴线在水平和竖直方向的偏差设置在±20mm内,若施工中出现姿态偏差过大的问题,应立刻进行逐步缓慢调整,必须避免紧急纠偏,即一次性调整幅度过大。本论文以苏州市轨道交通4号线(主线)安元西路站～春申湖路站近接施工区间段为依托,采用多种研究手段和方法分析了地铁盾构隧道近接施工技术及其近接物在施工影响下的受力与变形机理,针对不同的控制采取不同的措施以维护隧道及结构的稳定,为地铁隧道顺利施工及安全运营提供重要的技术保障。论文的研究具有重要的理论研究及实践应用价值。
[Abstract]:With the deepening of urbanization , the number and scale of the urban subway are constantly expanding , and the shield method has become the main construction method of the current subway engineering construction .
Based on the analysis of the engineering geological conditions and the distribution of the surrounding strata , this paper analyzes the characteristics of the shield tunnel construction in the area , analyzes the characteristics of the tunnel structure under the influence of construction , and gives some guidance and reference for the construction of the shield tunnel . Based on the analysis of the mechanics of shield tunnel construction , it is concluded that the main working parameters of shield tunneling are such as balance pressure , tunneling thrust , cutter head torque , propulsion speed , cutter head rotation speed , amount of excavated earth and grouting parameters .
With the increasing of pushing force , the deformation rate of the tube sheet is obviously increased , the inflection point appears at 0.72 MPa , the deformation amount exceeds 10 mm . When the pushing force is 0.72 MPa , the stress and the axial stress of the rear row tunnel are measured .
In addition , the deformation of the pipe piece at the near position is obviously larger than that of the near - contact area , the deformation difference of the pipe piece is large , and the construction conditions can be controlled in the construction process to ensure the safety of the construction .
This paper puts forward the basic criterion of shield near - connection control technology by monitoring surface C5 . It is necessary to control shield construction parameters .
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U455.43

【参考文献】