城市密集区大直径盾构隧道施工地层响应分析

发布时间：2020-04-19 22:01

【摘要】：近年来,随着国民经济的快速增长和基础建设的广泛投入,城市地下空间建设迎来了大发展,盾构隧道施工作为城市地下空间建设的有效工具,在城市地铁、市政通道以及高铁隧道建设中发挥着愈来愈重要的作用。为了有效控制施工中隧道自身及周边建(构)筑物的安全,就必须深入认识不同盾构施工条件下地层响应的变形特征、变形机理以及控制措施。尤其在城市核心区进行隧道建设,面临着周边重要建(构)筑物种类繁多,地铁公路交通纷冗复杂以及各类城市地下管线错综密布等复杂环境条件,使得施工中对于地层变形有着更严格的控制要求,因此,针对城市密集区大直径盾构隧道施工地层响应的研究分析具有重要意义。本文以清华园隧道3#～2#盾构区间工程为研究背景,统计分析了不同地层条件下不同施工阶段地层地表沉降和水平位移的变形发展规律并综合考虑了盾构施工参数的影响。应用数值模拟分析了盾构开挖区不同地层条件下地层地表沉降和水平位移的变形规律,同时建立90组模型参数影响分析数据库分别分析隧道几何参数、工程地质参数以及盾构施工参数对于最大地表沉降的影响。建立BP和优化BP、自定义神经网络以及时间序列预测模型,实现施工中对于地层地表沉降和水平位移的实时预测。基于遗传算法完成盾构施工参数的控制分析,并提出施工中地层变形的主要控制措施。主要研究成果包括:(1)通过工程实测数据以及盾构记录参数,统计分析得到不同地层条件下地层地表沉降与水平位移的变形特征并对区间内盾构施工参数进行阶段性变化规律统计和相关性分析。地表沉降历时变形呈现“S”型分布,Logistic函数可实现其很好拟合,五阶段横向地表沉降呈现“U”型槽分布,Peck经验公式可实现其很好拟合;地层水平位移在不同地层条件下分别呈现出“斜L型”和“外凸型”分布,同时采用增量分析发现水平位移沿深度方向上的变形规律。各盾构施工参数在不同地层条件下发生明显的阶段性变化,且相互间表现出不同程度的相关性,但与地层变形表现出强相关,同时通过理论计算给出不同盾构区段盾构施工参数建议值。(2)采用数值模拟分析了工程施工中隧道开挖应力释放系数的取值范围和开挖区不同土层条件下地层地表沉降和水平位移的变形发展规律,并建立90组多参数数值模型分析数据库并对各单一影响因素进行分析。二维数值模型模拟并结合现场实测数据确定适用于本工程的地层应力释放系数在0.12～0.14范围内;三维开挖不同土层分析模型确定隧道施工引起的地表沉降与水平位移在砂卵石土层、粉黏层或者砂卵石与粉黏土互杂土层三种不同地层条件下有着不同的变形规律。采用控制变量建立90组三维地表最大沉降参数影响分析模型数据库,逐一分析各隧道几何参数、工程地质参数以及盾构施工参数对于地层变形的影响并进行了拟合分析评价。(3)应用神经网络、主成分分析、遗传算法以及时间序列的智能分析法分别建立地表最大沉降多参数预测模型以及地层地表沉降和水平位移历时发展预测模型。应用传统BP神经网络并联合主成分分析(PCA)与遗传算法(GA)两种优化方法建立地表最大沉降传统BP、PCA-BP、GA-BP以及PAC-GA-BP四种多参数预测模型,实现对地表最大沉降的预测并综合比较各模型预测效果;应用传统ARMA时间序列模型和非线性自回归神经网络(NARNN与NARXNN模型)模型实现对测点的地表沉降与水平位移历时发展规律预测,并综合评价三种预测模型预测效果。(4)基于遗传算法极值寻优功能建立不同地层条件各盾构标准段盾构施工参数极值寻优模型,获取盾构施工参数控制值,并提出盾构施工地层变形主要控制措施。应用遗传算法极值寻优功能获取了不同地层条件下盾构施工参数的控制值,并与实际统计的各标准区段盾构施工参数均值对比分析,说明所获取控制值的合理性,并联合盾构参数理论计算值和相应的安全系数设定可确定盾构施工参数安全建议取值区间,对于实际工程具有重要指导意义。同时总结盾构施工地层发生变形的主要影响因素,提出通过在盾构施工参数控制、主动辅助工法控制以及信息化管理控制三个方面采取相应的措施,可实现盾构施工中对于地层响应的有效控制。
【图文】：

区域分布,区域分布,隧道开挖,扰动区

隧道临空范围内发生变形和移动，进而引起土体的松动和塌落，最终致使土体产逡逑生下沉位移，该片施工扰动区域即为隧道掘进过程中形成的卸荷扰动区③、④，逡逑具体各扰动区域沿隧道周边的分布范围如下图１－２所示：逡逑＂／逦Ａ－Ａ剖面逡逑上卸荷扰动区③逦ｆ逦５逦，逡逑逦－／＾邋４５逦＼上卸荷扰动区③邋／逡逑一．一？邋一邋？邋一邋？逦？邋—挤＼逦／逡逑１／邋ｊ〔逦邋下卸荷扰动Ｒ④逦下卸荷扰动Ｒ④逡逑下卸荷扰动区＼邋＼逡逑剪切扰动区②逦＼逦剪切扰动Ｒ②逡逑图１－２隧道开挖地层扰动区域分布图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｇｒｏｕｎｄ邋ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ邋ａｒｅａ邋ｉｎ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ逡逑一般可以将盾构隧道开挖所引起的地层地表位移沿着隧道前进方向，按照时逡逑间效应关系分为五个不同的区段来进行研究分析［４６１：邋（１）段为初始先行沉降段，逡逑该区段内土体出现沉降的主要原因是由于盾构前方土体受到挤压而变密，孔隙水逡逑压减少，进而致使土体出现固结变形；（２）段为盾构工作面前方的土体沉降（或逡逑隆起）段，该段的沉降（或隆起）变形主要是依据开挖面工作压力值的施加而定，逡逑开挖面工作压力的施加会引起孔隙水压力和土层总有效应力的增加，进而使土体逡逑产生弹塑性变形

分布图,隧道开挖,分布图,扰动区

【参考文献】