饱和软土地层盾构始发冻结加固及稳定性研究

发布时间：2020-07-06 06:31

【摘要】：随着地下工程的快速发展,人工冻结法凭借其良好的止水性能、支护稳定、形式灵活等优点,现已成为地铁盾构始发工程中常用的加固技术。盾构始发是盾构施工过程中最重要的过程之一,也是地铁隧道建设过程中事故多发环节。若水平冻结加固强度不足,凿除洞门墙体时容易出现涌水、涌沙现象,严重的会引起工程事故,若加固强度过高,不但造成浪费,还会使盾构机掘进困难。因此,研究盾构始发冻结加固工程中温度场的形成与发展状况以及加固土体稳定性就显得十分重要。基于上述问题,本文结合福州地铁2号线西洋站盾构始发水平冻结工程,通过理论计算、数值分析、现场实测等方法,对饱和软土地层盾构始发人工冻结加固机理及其稳定性进行了较为系统的研究,主要研究内容如下:(1)通过分析影响土体物理力学性质的各种因素,总结未冻土及冻土的热物理性质和冻土力学性质的计算方法,根据计算公式及现场试验给出了福州地铁冻结范围内土体的热物理参数和力学参数,并研究了冻土与冻结温度场的形成与发展,为数值模拟奠定基础。(2)建立了冻结温度场的计算模型,将部分实测结果与数值模拟进行对比分析,认为数值模拟能够较好的反映温度场的真实情况,利用有限元分析温度场的发展情况是可靠的,另外,分析了冻结温度场随时间的发展规律,认为积极冻结30天后水平冻结壁杯底厚度可达3.7m,平均温度达-17.8℃,杯壁厚度同样可以达到设计要求。(3)利用板块强度设计理论反推冻结壁的安全系数为3.157,建立了盾构始发端头土体稳定性分析模型,利用有限元强度折减法分析了冻结前端头土体的初始稳定系数及土体变形规律,分析认为冻结前端头土体的稳定系数趋近于0.758,土体抗剪强度较高时洞口上部可形成塌落拱,发生局部破坏,随抗剪强度的减小,塑性破坏区不断向地表延伸。(4)理论计算冻结后端头土体的安全系数为3.157,大于有限元模拟值2.564,分析认为是板块强度设计理论将端头土体所受梯形侧向水土压力简化为均布荷载,导致受力情况与实际不符所引起的,用于实际工程中可能偏于危险,易引发工程事故。(5)增加冻结壁杯底厚度对减小端头土体位移场与应力场具有积极作用,厚度在1.5m～2.5m时影响最为明显,随后逐渐变缓,冻结壁杯底厚度为3m时可以满足强度与变形要求,冻结壁杯壁厚度对地层位移场和应力场的影响较小,以增加冻结壁杯壁厚度来提高端头土体稳定性作用不明显。(6)通过对冻结温度场进行信息化监测及现场实测数据研究,较为全面地揭示了冻结温度场的变化规律,实测分析认为冻结壁的发展满足设计要求且与连续墙胶结情况良好,数值模拟与现场实测分析结果吻合良好,数值模拟能够全面而准确的反映冻结温度场的发展。
【学位授予单位】：福建工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.43;U231.3
【图文】：

荷兰教授Ｄｅｌｆｔ邋（２００１）邋｜５１］也认为在成层地基条件下利用上述计算模型研宄泥水盾构逡逑与土压盾构工作面的极限支护压力是可行的。逡逑日本关于盾构始发端头土体的滑移失稳破坏形式一般按照图１－２所示进行研宄，根据逡逑隧道埋深条件的不同，一共假定了三种滑移模式，我国部分专家学者发现，上海等一些软逡逑土地区的盾构隧道工程实例满足图中（１）、（２）所示的滑移形式与埋深条件。逡逑（１）Ｈ／Ｄ＜１．５逦（２）１．５＜Ｈ／Ｄ＜４逦（３）４〈Ｈ／Ｄ逡逑图１－２日本洞口土体稳定性计算模型逡逑国内学者徐东、周顺华等针对上海粘土进行了离心模型试验，并对其成拱能力进行总逡逑计分析，指出双线开挖隧道，在无支护情况的情况下，若要形成稳定的天然拱结构，覆盖逡逑土层厚度必须达到１２ｍ以上。逡逑赖剑明、白云等（１９９４）邋［５２］利用有限元软件建立三维数值模型，对洞口土体进行非线逡逑７逡逑

加主动滑移线。浅埋条件下的盾构隧道大多满足此范围；（２）若Ｈ／Ｄ＞２．５，则洞口土体逡逑表现为要求即可。对于直径较小的市政顶管工程一般满足此范围；（３）若１．４＜邋Ｈ／Ｄ邋＜邋２．５，逡逑则洞门土体的滑移失稳状态如图１－３邋（１）所示，其滑移失稳破坏线以到达地表，但圆弧尚逡逑在主动滑移线范围以内。逡逑ＦＩＺＦ逡逑（１）Ｈ／Ｄ＜１．４逦（２）１．４〈Ｈ／Ｄ＜２．５逦（３）２．５＜Ｈ／Ｄ逦＇逡逑图１－３上海等软土地区洞口邋土体破坏模式逡逑同时，赖剑明、白云等（１９９４）邋［５２］认为地面破坏线形状近似为椭圆形，长轴为纵向，逡逑短轴为横向，如图１－４所示。此外，还发现洞门埋深越大，地表破坏线就越扁长，而对于逡逑局部破坏形式无破坏线轮廓。逡逑▲邋ｙ邋（纵轴）逡逑０逦ｘ（横轴）逡逑图１－４地面破坏界线示意图逡逑孙振川（２００３）［５３］结合国内盾构进出洞工程实践介绍了软土地区端头土体的加固原则，逡逑并从弹性力学的角度对加固土体的强度和稳定性进行了验算。逡逑秦建设等（２００５）邋［５４］通过大变形有限差分法对工作面的变形与稳定问题进行了数值模逡逑拟分析，将工作面支护压力与隧道围岩变形的相互关系分为不敏感、敏感和破坏失效三个逡逑阶段。通过实验表明，当工作面支护压力不足时所引起的地面横向沉降槽符合Ｐｅｃｋ提出逡逑８逡逑

加主动滑移线。浅埋条件下的盾构隧道大多满足此范围；（２）若Ｈ／Ｄ＞２．５，则洞口土体逡逑表现为要求即可。对于直径较小的市政顶管工程一般满足此范围；（３）若１．４＜邋Ｈ／Ｄ邋＜邋２．５，逡逑则洞门土体的滑移失稳状态如图１－３邋（１）所示，其滑移失稳破坏线以到达地表，但圆弧尚逡逑在主动滑移线范围以内。逡逑ＦＩＺＦ逡逑（１）Ｈ／Ｄ＜１．４逦（２）１．４〈Ｈ／Ｄ＜２．５逦（３）２．５＜Ｈ／Ｄ逦＇逡逑图１－３上海等软土地区洞口邋土体破坏模式逡逑同时，赖剑明、白云等（１９９４）邋［５２］认为地面破坏线形状近似为椭圆形，长轴为纵向，逡逑短轴为横向，如图１－４所示。此外，还发现洞门埋深越大，地表破坏线就越扁长，而对于逡逑局部破坏形式无破坏线轮廓。逡逑▲邋ｙ邋（纵轴）逡逑０逦ｘ（横轴）逡逑图１－４地面破坏界线示意图逡逑孙振川（２００３）［５３］结合国内盾构进出洞工程实践介绍了软土地区端头土体的加固原则，逡逑并从弹性力学的角度对加固土体的强度和稳定性进行了验算。逡逑秦建设等（２００５）邋［５４］通过大变形有限差分法对工作面的变形与稳定问题进行了数值模逡逑拟分析，将工作面支护压力与隧道围岩变形的相互关系分为不敏感、敏感和破坏失效三个逡逑阶段。通过实验表明，当工作面支护压力不足时所引起的地面横向沉降槽符合Ｐｅｃｋ提出逡逑８逡逑

【参考文献】

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本文编号：2743284