盾构接收掘进中半无限土体变形规律及盾构掘进参数研究

发布时间：2020-08-24 21:42

【摘要】：在我国城市地铁工程快速发展的过程中,盾构法施工已成为轨道交通施工中不可缺少的施工工法。盾构法施工分为始发施工、掘进工程以及接收工程三个阶段,其中,盾构接收相较于前两者更易发生事故,其事故类型主要有涌水涌砂、土体坍塌、地下管线破裂等。造成以上工程事故的最主要原因有3点:(1)未考虑接收井开挖对围护结构的累计影响;(2)接收阶段掘进参数的设定不当;(3)缺少上当的工程防护措施来减小事故的发生。由于上述问题的存在使得盾构接收阶段的安全问题十分突出。为了解决上述安全问题,本文在已有相关研究成果的基础上,采用理论分析、数值模拟、现场数据对比等方法,针对常盾构接收工程中掘进参数缺少合理设定依据的问题进行了研究,获得成果如下:1.接收井基坑开挖对围护桩体的影响分析以北京地铁16号线某盾构工程接收井基坑开挖为例,采用FLAC3D进行数值模拟理论分析,对盾构接收井开挖过程中围护桩体的受力与变形进行进一步分析,并与可承受极限荷载以及规范要求允许最大变形进行比较。通过数值模拟数据可知,基坑开挖所产生的最大变形点变形值为18mm,约占围护桩体允许变形的60%,所产生的最大弯矩点弯矩值为295kN·m,约占最大可承受弯矩的33%。这表明基坑开挖所对围护桩体变形量的影响十分巨大,应当引起重视。2.盾构接收掘进过程中半无限土体变形规律选取盾构接收掘进过程中前方土体应力、位移、围护桩体变形、受力以及地表沉降为对象,采用FLAC3D数值模拟分析的方法,对盾构无障碍接收掘进过程中前方土体状态进行了进一步的研究。确定了正常掘进阶段所采用的掘进参数不适用于接收阶段。找出了接收阶段土体由半无限状态过度到有限状态的界限在距洞口14-12环左右(即2-3倍洞径时)的距离。3.盾构接收阶段有限土体区间的掘进参数的合理取值通过建立有限土体的受力模型,给出盾构接收阶段有限土体区间的掘进参数上限与下限的设定公式。通过对盾构接收阶段前方有限土体的受力分析,建立了接收阶段有限土体有限土体的受力模型。并根据破坏形式的不同,给出了土仓压力设定值得上限与下限的概念。根据平衡条件与几何推导给出了土仓压力的上限与下限的数学表达式,并结合实际切桩情况提出了合理的保值掘进设定值。4.盾构无障碍接收施工工程应用以北京地铁16号线某盾构工程为背景,通过与实际监测数据进行对比,验证了所推导的掘进参数的合理性。并根据研究成果给出适当的防护措施。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U231.3;U455.43
【图文】：

示意图,盾构机,原理,示意图

第 1 章绪论旋输送机向排土口连续地排出渣土。水平衡盾构机是在支撑环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在刀盘上的刀具切削土体表层泥膜，，形成高密度泥浆，由排浆泵及管道输送至地面处理，整个过程通过建立制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。相较于泥土平衡盾构机，在北衡盾构机的应用更为广泛，因此土压平衡盾构机为本文的研究对象。盾构推力的研究与应用际工程中对于土压平衡式盾构机，机体的受力分析如图 1-1 所示，其外力尾千斤顶驱动力；（2）盾构机外壳与土体摩擦力；（3）开挖面对刀盘

坍塌事故,盾构

第 1 章绪论切削试验，得出了盾构刀环在不同这两个参数下的破损定律。Hasanpour[39]建立全型进行数值模拟，定量分析了各种因素对机器夹持的影响。通过非线性回归分析了地面参数与掘进参数之间的关系，以及推进机抗接触摩擦所需的推力；王林涛对推力机构进行运动学分析的基础上，提出了确定推力缸目标运动的数学方法。面反力的数值选定原则，则主要由土仓压力与前方土体的动态平衡控制。2.土仓压力的研究与应用在土压平衡盾构机掘进施工过程中，土仓压力的设定值主要的施工管理参数之体的推力和所受扭矩与土仓所设压力成正比，过大的土仓压力影响土体流动性，成地表隆起和围护结构发生过大的水平变形。而过小的土仓压力，会导致土仓无挖掘面土体侧向压力而导致失稳，严重情况会造成地面塌陷。广州地铁 3 号线某左线掘进至 180 环时，将掘进速度下调至 2-8mm/min 来解决隧道内渗水问题却无。当掘进完 180 环时，地层的水土大量损失，在地表形成了一个的塌陷区，如图示。因此，选择适合实际工况的土仓压力，可以有效控制成本、地面沉降、掘进因素。

围护桩,围护体

图 2-1 围护桩体的变形形态图Fig.2-1 Deformation pattern of retaining pile支护结构的桩墙体变形一般会朝两个方向发展，水平方向和竖直方向，本章主要对水平方向为位移进行研究。研究表明，影响围护桩体变形的因素是多方面的，主要包括：支护类型、土体性质、支护材料、基坑开挖所采用工法等。其中内支撑与拉锚支护为最常见的支护类型。Clough[50]等人将围护结构发生的变形形式分为三种类型，分别是悬臂式、抛物线式以及两者的组合。其中，悬臂式位移一般发生在以下两种情况。其一是在基坑开挖时，基坑上部土体产生向基坑所在位置的位移，进而推动围护桩体产生移动。另一种情况是指随着挖掘的不断进行，围护体暴露在外的长度越来越大，刚性围护体的上部或整个围护体逐渐增大的水平位移。抛物线形的出现一般与支撑有关，在架设柔性围护体的支撑后，围护体上部的水平位移变形开始趋于稳定或产生朝向基坑外侧的水平位移，而此时，围护体中部未收到支撑作用的部分开始产生继续产生朝向基坑内侧的变形。因此，整个围护体呈现出向内侧凸起状的变形，此时的变形称之为抛物线形式的位移。通过国内外学者的研究可知[50-52]以及对现场监测数据的整理可知，围护体产生最大水平位移处往往与开挖深度有关。一般出现在对应开挖深度处附近的位置。同时可知，如果围护体的下部嵌入地层性质良好，则底部不会产生过大的变形；若果围护体的下部

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