溶洞对盾构隧道围岩稳定性影响的数值模拟
发布时间：2020-12-26 10:02
在全国方兴未艾的地铁建设中,盾构法以其高效、环保、安全等优势,成为城市地铁隧道修建的首选工法,而岩溶发育区进行盾构施工是必须面对的工程难题。溶洞使盾构机在掘进过程易发生偏头、栽头,甚至引起围岩坍塌,这势必对盾构隧道工程的施工进度,经济成本,人生安全等产生重大影响。本文以大连地铁5号线前盐站至泉水东站区间盾构隧道工程项目为背景,开展溶洞对盾构隧道围岩稳定性影响的数值模拟的研究。研究结果可为实际岩溶发育区的盾构施工安全性判定和溶洞的治理提供有益的参考。主要研究内容如下:1、归纳总结岩溶地层盾构施工中盾尾同步注浆、掌子面压力、刀盘扭矩、岩溶地层的初始地应力平衡等关键因素在数值模拟中的作用和实现方法。2、结合实际工程地质和盾构机型参数,运用ABAQUS有限元分析软件,建立盾构掘进的三维数值模型,并将模拟结果与现场实测数据进行比较,进一步验证了模型的合理性。对比分析了有、无溶洞时隧道围岩拱顶、拱底、拱腰点随盾构掘进过程中的位移变化规律,隧道围岩变形历经了刀盘临近、盾构机壳作用、注浆层影响、加衬砌趋于稳定四个区间。当盾构掘进到下部溶洞的上方时,刀J盘将会下沉,最大沉降可增加60%。同时,对比了不同...
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１大连市城市轨道交通建设规划（２０１４？２０２０年）??Ｆｉｇ．?１．１?Ｄａｌｉａｎ?Ｕｒｂａｎ?Ｒａｉｌ?Ｔｒａｎｓｉｔ?Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?Ｐｌａｎｎｉｎｇ?（２０１４－２０２０）??［??
构掘进中的地层损失、同步注浆、掌子面压力等关键冈素的影响及其实现方法，??以及岩土体本构模型、岩溶地层屮初始地应力平衡、围岩破坏机理开展研宄。??２．?１盾构施工数值建模方法??盾构施工的数值模拟主要采用有限元、有限差分、离散元等方法。盾构掘进时，对??刀盘前方岩土体施加膨润土、泡沫剂来改良土质，通过盾Ｍ千斤顶为刀盘提供顶推力，??运用主驱动设备旋转刀盘，切削掌子面岩土体掘进，同时在盾构壳内完成衬砌管片的拼??装工作。为减少刀盘超挖引起的地屋沉降、变形，对衬砌外壁进行同步注浆。??图２．１盾构机结构示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｈｉｅｌｄ?ｍａｃｈｉｎｅ??２．?１．?１应力释放与地层损失??用衬砌管片和注浆体代替挖掉的土体与周边围岩建立新的平衡，而挖掉的土体体积??总是大于衬砌的体积，即为超挖。盾构法施工后，顶底面的岩土体向隧道中心变形，同??围岩应力有所减校在数值模拟中这种现象称为地层损失和应力释放。由于开挖的岩土??体密度大部分情况会大于盾构机开拕过程的平均密度，模拟计算如果不考虑应力释放与??地层损失，计算得出开挖后的地表不正常隆起，结果往往会与实际脱节［４７】。??（１）应力释放??１１??
凝固后可作为衬砌防水的第一道防线，提供长久且稳定的防水功??能。此外，浆液层也作为隧道衬砌结构的加强层，使其受力更均匀，并提高耐久度。同??步注浆的质量高低对盾构隧道开挖的安全影响巨大［５（）］。??实际工程中，衬砌管片沉在隧道底部，这样在数值模拟会降低网格划分质量，增加??计算量。所以引入环状等待层对注浆液进行简化计算。??等／＇ｙ?＇、￣—开挖边界＾，＞’?、＼＼丈??＾?／／?＼＼?／／?＇ｖ＼?｜??！｜?／等代层?一衬砌轮丨郭一＾?注衆”衆??Ｓ?Ｖ?／?Ａ?Ｖｉ??图２．２注浆等代层示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒｏｕｔｉｎｇ??关于盾构注浆材料一直是热门的研究方向。张聪等测试ＴＧＭ材料的主要性能??参数及其在岩溶水下浆材的特性，发现岩溶水养护条件下结石体完全压滤后Ｉ２ｈ抗压强??度可达２ＭＰａ，?９０ｄ抗压强度８ＭＰａ，渗透系数低至ｌ〇－７ｃｍ／Ｓ，微观结构显示内部呈明显??的块团状稳定结构。张云［５２】根据黄浦江行人隧道工程，根据实测土体沉降进行了反分析??研宄，获取注浆等代层的弹性模量约为１．２ＭＰａ。??２、注浆压力??盾尾注浆必须给予一定的压力，以便浆液克服地下水压力、管阻摩擦力，并使浆液??在衬砌外壁的空隙中充填密实。同时，注浆压力也增大了注浆体对周边地层的压力，阻??止岩土体的进一步收敛。但是，实际工程中注浆压力和注浆量也不能过大，否则高压会??对周围岩土体产生劈裂作用，尤其是在岩体溶蚀强烈发育的地层，高Ｈ更容易破坏围岩??结构。在预测地层、地面沉降和分析衬砌结构以及围岩应力变形时，忽视盾尾的同步注??浆压力是不合理的。注浆压力是盾构施工时产生地
【参考文献】：
期刊论文
[1]结合政策法规解读我国城市轨道交通的发展历程[J]. 梅建萍. 城市轨道交通研究. 2019(03)
[2]基于强度折减法和现场监控量测的大断面隧道开挖工法适用性研究[J]. 杨学奇,杨涅,姚萌. 隧道建设(中英文). 2018(S2)
[3]2018年中国城市轨道交通运营线路统计和分析[J]. 赵昕,顾保南. 城市轨道交通研究. 2019(01)
[4]海底岩溶盾构隧道勘察、设计及岩溶处理关键技术研究——以大连地铁5号线火梭区间海底隧道为例[J]. 周华贵,何一韬. 隧道建设(中英文). 2018(11)
[5]岩溶区段复杂地层盾构施工衬砌变形机理研究[J]. 李炜明,任虹,李正明,石旭东,张燕舞. 铁道工程学报. 2018(09)
[6]基于ABAQUS的地层-结构法模型的地应力平衡方法研究[J]. 胡长明,袁一力,梅源,钱伟丰,叶正武. 现代隧道技术. 2018(04)
[7]电磁波CT技术探测溶洞的模拟分析与应用研究[J]. 黄生根,刘东军,胡永健. 岩土力学. 2018(S1)
[8]富水岩溶越江盾构隧道注浆材料试验与应用研究[J]. 张聪,阳军生,谢亦朋,龚方浩,梁雄,雷金山,苏保柱. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[9]近接溶洞位置对隧道的稳定性影响数值分析[J]. 方宇超,蔡袁强,孙宏磊. 科技通报. 2018(02)
[10]基于强度折减法的双孔大跨隧道围岩稳定性研究[J]. 李杰,司君岭,仲恒,赵瑞文. 土木工程学报. 2017(S2)
博士论文
[1]下伏岩溶地层地铁盾构隧道结构受力特性研究[D]. 高诗明.中国地质大学 2017
[2]武汉地铁穿越区岩溶地面塌陷过程及其对隧道影响特征研究[D]. 屈若枫.中国地质大学 2017
[3]基于等效岩体力学参数的隧道下伏溶洞顶板安全厚度研究[D]. 刘波.北京科技大学 2016
[4]广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究[D]. 雷金山.中南大学 2014
[5]隐伏溶洞与隧道间安全距离及其智能预测模型研究[D]. 赖永标.北京交通大学 2012
[6]深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究[D]. 马栋.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]泥岩地层盾构施工地表变形影响分析[D]. 夏峰峰.石家庄铁道大学 2018
[2]盾构下穿拱桥数值模拟及安全措施研究[D]. 余乐.西南交通大学 2018
[3]隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响规律及鄂西山区岩溶处治技术研究[D]. 郭明.山东大学 2014
[4]近接溶腔对隧道围岩稳定性影响及防治措施研究[D]. 王琪.长安大学 2014
[5]盾构隧道施工对邻近桩基的形变影响研究[D]. 刘俊.西南交通大学 2013
[6]深圳海积软土修正剑桥模型的参数测定及工程应用[D]. 罗锦华.中南大学 2013
[7]溶洞与隧道间岩层安全厚度研究[D]. 邱新旺.广西大学 2012
[8]岩溶隧道开挖稳定性评价及预测技术研究[D]. 周冬军.西南交通大学 2012
[9]岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析[D]. 易介民.华南理工大学 2011
[10]岩溶隧道围岩稳定性及施工力学行为分析[D]. 王高波.重庆大学 2011
本文编号：2939486
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１大连市城市轨道交通建设规划（２０１４？２０２０年）??Ｆｉｇ．?１．１?Ｄａｌｉａｎ?Ｕｒｂａｎ?Ｒａｉｌ?Ｔｒａｎｓｉｔ?Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?Ｐｌａｎｎｉｎｇ?（２０１４－２０２０）??［??
构掘进中的地层损失、同步注浆、掌子面压力等关键冈素的影响及其实现方法，??以及岩土体本构模型、岩溶地层屮初始地应力平衡、围岩破坏机理开展研宄。??２．?１盾构施工数值建模方法??盾构施工的数值模拟主要采用有限元、有限差分、离散元等方法。盾构掘进时，对??刀盘前方岩土体施加膨润土、泡沫剂来改良土质，通过盾Ｍ千斤顶为刀盘提供顶推力，??运用主驱动设备旋转刀盘，切削掌子面岩土体掘进，同时在盾构壳内完成衬砌管片的拼??装工作。为减少刀盘超挖引起的地屋沉降、变形，对衬砌外壁进行同步注浆。??图２．１盾构机结构示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｈｉｅｌｄ?ｍａｃｈｉｎｅ??２．?１．?１应力释放与地层损失??用衬砌管片和注浆体代替挖掉的土体与周边围岩建立新的平衡，而挖掉的土体体积??总是大于衬砌的体积，即为超挖。盾构法施工后，顶底面的岩土体向隧道中心变形，同??围岩应力有所减校在数值模拟中这种现象称为地层损失和应力释放。由于开挖的岩土??体密度大部分情况会大于盾构机开拕过程的平均密度，模拟计算如果不考虑应力释放与??地层损失，计算得出开挖后的地表不正常隆起，结果往往会与实际脱节［４７】。??（１）应力释放??１１??
凝固后可作为衬砌防水的第一道防线，提供长久且稳定的防水功??能。此外，浆液层也作为隧道衬砌结构的加强层，使其受力更均匀，并提高耐久度。同??步注浆的质量高低对盾构隧道开挖的安全影响巨大［５（）］。??实际工程中，衬砌管片沉在隧道底部，这样在数值模拟会降低网格划分质量，增加??计算量。所以引入环状等待层对注浆液进行简化计算。??等／＇ｙ?＇、￣—开挖边界＾，＞’?、＼＼丈??＾?／／?＼＼?／／?＇ｖ＼?｜??！｜?／等代层?一衬砌轮丨郭一＾?注衆”衆??Ｓ?Ｖ?／?Ａ?Ｖｉ??图２．２注浆等代层示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒｏｕｔｉｎｇ??关于盾构注浆材料一直是热门的研究方向。张聪等测试ＴＧＭ材料的主要性能??参数及其在岩溶水下浆材的特性，发现岩溶水养护条件下结石体完全压滤后Ｉ２ｈ抗压强??度可达２ＭＰａ，?９０ｄ抗压强度８ＭＰａ，渗透系数低至ｌ〇－７ｃｍ／Ｓ，微观结构显示内部呈明显??的块团状稳定结构。张云［５２】根据黄浦江行人隧道工程，根据实测土体沉降进行了反分析??研宄，获取注浆等代层的弹性模量约为１．２ＭＰａ。??２、注浆压力??盾尾注浆必须给予一定的压力，以便浆液克服地下水压力、管阻摩擦力，并使浆液??在衬砌外壁的空隙中充填密实。同时，注浆压力也增大了注浆体对周边地层的压力，阻??止岩土体的进一步收敛。但是，实际工程中注浆压力和注浆量也不能过大，否则高压会??对周围岩土体产生劈裂作用，尤其是在岩体溶蚀强烈发育的地层，高Ｈ更容易破坏围岩??结构。在预测地层、地面沉降和分析衬砌结构以及围岩应力变形时，忽视盾尾的同步注??浆压力是不合理的。注浆压力是盾构施工时产生地
【参考文献】：
期刊论文
[1]结合政策法规解读我国城市轨道交通的发展历程[J]. 梅建萍. 城市轨道交通研究. 2019(03)
[2]基于强度折减法和现场监控量测的大断面隧道开挖工法适用性研究[J]. 杨学奇,杨涅,姚萌. 隧道建设(中英文). 2018(S2)
[3]2018年中国城市轨道交通运营线路统计和分析[J]. 赵昕,顾保南. 城市轨道交通研究. 2019(01)
[4]海底岩溶盾构隧道勘察、设计及岩溶处理关键技术研究——以大连地铁5号线火梭区间海底隧道为例[J]. 周华贵,何一韬. 隧道建设(中英文). 2018(11)
[5]岩溶区段复杂地层盾构施工衬砌变形机理研究[J]. 李炜明,任虹,李正明,石旭东,张燕舞. 铁道工程学报. 2018(09)
[6]基于ABAQUS的地层-结构法模型的地应力平衡方法研究[J]. 胡长明,袁一力,梅源,钱伟丰,叶正武. 现代隧道技术. 2018(04)
[7]电磁波CT技术探测溶洞的模拟分析与应用研究[J]. 黄生根,刘东军,胡永健. 岩土力学. 2018(S1)
[8]富水岩溶越江盾构隧道注浆材料试验与应用研究[J]. 张聪,阳军生,谢亦朋,龚方浩,梁雄,雷金山,苏保柱. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[9]近接溶洞位置对隧道的稳定性影响数值分析[J]. 方宇超,蔡袁强,孙宏磊. 科技通报. 2018(02)
[10]基于强度折减法的双孔大跨隧道围岩稳定性研究[J]. 李杰,司君岭,仲恒,赵瑞文. 土木工程学报. 2017(S2)
博士论文
[1]下伏岩溶地层地铁盾构隧道结构受力特性研究[D]. 高诗明.中国地质大学 2017
[2]武汉地铁穿越区岩溶地面塌陷过程及其对隧道影响特征研究[D]. 屈若枫.中国地质大学 2017
[3]基于等效岩体力学参数的隧道下伏溶洞顶板安全厚度研究[D]. 刘波.北京科技大学 2016
[4]广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究[D]. 雷金山.中南大学 2014
[5]隐伏溶洞与隧道间安全距离及其智能预测模型研究[D]. 赖永标.北京交通大学 2012
[6]深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究[D]. 马栋.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]泥岩地层盾构施工地表变形影响分析[D]. 夏峰峰.石家庄铁道大学 2018
[2]盾构下穿拱桥数值模拟及安全措施研究[D]. 余乐.西南交通大学 2018
[3]隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响规律及鄂西山区岩溶处治技术研究[D]. 郭明.山东大学 2014
[4]近接溶腔对隧道围岩稳定性影响及防治措施研究[D]. 王琪.长安大学 2014
[5]盾构隧道施工对邻近桩基的形变影响研究[D]. 刘俊.西南交通大学 2013
[6]深圳海积软土修正剑桥模型的参数测定及工程应用[D]. 罗锦华.中南大学 2013
[7]溶洞与隧道间岩层安全厚度研究[D]. 邱新旺.广西大学 2012
[8]岩溶隧道开挖稳定性评价及预测技术研究[D]. 周冬军.西南交通大学 2012
[9]岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析[D]. 易介民.华南理工大学 2011
[10]岩溶隧道围岩稳定性及施工力学行为分析[D]. 王高波.重庆大学 2011
本文编号：2939486
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