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地铁盾构施工技术对地层变形影响的建筑工程数值模拟

时间:2018-12-18 21:21来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程为建设工程的一部分,与建设工程的范围相比,建筑工程的范围相对为窄,其专指各类房屋建筑及其附属设施和与其配套的线路、管道、设备的安装工程。
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程为建设工程的一部分,与建设工程的范围相比,建筑工程的范围相对为窄,其专指各类房屋建筑及其附属设施和与其配套的线路、管道、设备的安装工程,因此也被成为房屋建筑工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
由于国内经济建设步伐的加快,以及城市化进程的快速扩张,在一些主要城市中的交通拥堵问题也越来越明显,进而影响人们的日常出行,且目前城市地面上的空间资源的利用也越来越饱和,所以关于地下空间资源的利用开发则成为各类研究人员关注的焦点,地下空间的合理开发能有效缓解地面交通问题,且地下地铁的建设因为它的既安全又环保便捷性,目前已经作为缓解城市交通拥堵问题的首选途径[1]。由于在岩土层比较软弱时开挖城市地铁隧道是一项非常复杂的工程[2],且隧道的施工开挖作为地铁建设中很重要环节,开挖也是最容易出现问题的环节,最早的城市地铁隧道开挖主要采用的是明挖法,由于在修建城市地铁的隧道时,明挖法开挖首选必须进行的一项作业则是基坑开挖,而基坑开挖则难免会引起周边地层损失,产生水平和竖向的变形,从而严重威胁周边建筑物及人员的安全,同时影响人们日常生活工作及出行,而盾构法则是凭借了其相对隐蔽的且比较高水平的机械化作业施工技术而被采用[3]。盾构法施工技术它是一种在地面以下展开施工作业,通过盾构机在地面下对岩层土体进行开挖掘进,从而开挖隧道的一种施工工艺方法。它的特征优点是对地面上的交通影响较小,开挖作业速度快,对地面环境影响较小且机械化的程度也高,因为这些优越的技术特点及经济独特性,越来越广泛的被各施工建设单位所采用[4],且在全世界各地区内,对于一些距离较长,断面比较复杂,隧道直径尺寸大的地铁隧道的开挖也越来越多的采用此方法。尽管该施工方法有很多优点,但是由于盾构施工过程中难免引起地层土体的扰动变形且会造成一定的破坏[5]。当盾构开挖过程中引起的周边土体的扰动变形达到一定的规模程度后,则会造成紧邻的局部土体的移动进而引起地面的大面积的沉陷,这样对周边的临近的构筑物、市政管线设施、路面路基结构以及桥梁等工程结构均造成一定的破坏影响,严重时甚至引发工程安全事故,最后危及人身安全及财产损失。所以如何预防这种事故的发生,采取怎样的施工安全保护措施,从而来减小盾构开挖过程中对土体的扰动影响,降低其对周边建筑物以及管道设施的影响,这些就成为了盾构法开挖施工的关键及难点的问题,也一直被广大的研究工作者关注。研究隧道盾构法施工对土层变形影响范围及对周边建筑物安全性能的影响具有重要及深远的意义。
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1.2 盾构法施工技术介绍
盾构法施工是一种修建城市地铁隧道甚至跨海水下工程隧道施工方法,该方法最早来自英国。法国工程师 Brunel 于 1806 年观察到蛀虫向四周分泌液体在木板上钻孔,在该行为的启示下提出开挖隧道的盾构法原理。自隧道盾构施工技术提出以后,关于盾构开挖的机械盾构机也是不断改进,从挤压平衡式发展到土压平衡式再到泥水加压平衡式不断的变化发展,同时世界首条水下盾构的隧道——伦敦泰晤士河隧道最先采用盾构技术在 1825 年开始动工,J.H.Greathead 在该工程项目中采用盾构法施工,通过改进 Brunel的盾构法制作出矩形的铁框作为盾构。在施工过程中由于没有预防施工中泥水会涌入隧道,所以在工程进行过程中遇到了很多困难,也多次导致过停工,一直到 1841 年,该工程施工中在经历 5 次以上的相当严重的涌水情况后,才终于完成,该隧道最终全长为458m[6]。在 20 世纪初,西方有很多国家在地下管道设施的施工中也已经广泛推广盾构法施工技术,该项技术在 20 世纪的末期也发展相当显著。中国在 20 世界 50 年代初也开始了对小直径的盾构机进行相关的研究及工程实践,1966 年,在上海的黄浦江底利用国内首台制造出的盾构机进行隧道开挖。且自 1990 年开始,上海的地铁 1 号线采取盾构全线开挖以后,盾构法也越来越多的应用在其他城市的地铁建设中[7]。盾构的单词解释在岩土工程中代表“遮挡物”或者“遮盖物”,通俗讲,盾构是指依靠外界的压力压入到岩层土体中,在施工中构成一种保护掘进作业机械的外壳,它外形上与同开挖的隧道的断面形状相同,但是截面的尺寸比隧道截面的尺寸稍大,是一种钢筒状的结构或者框架[8,9]。在这种盾构外壳的保护下,施工作业过程中所有机械以及相关的作业物理空间组合总体叫做盾构机。盾构开挖施工的物理过程则是:通过盾构机前方的切削刀盘开挖掌子面的土体,然后通过依靠一定的支护的压力来平衡开挖面,使其保持稳定,进而依靠作业机械中的出土装置将开挖下来的土体运输到外面,盾构机的前进则是依靠千斤顶,通过千斤顶来反推后方已有的衬砌管片使得盾构机前进,且在盾构机每次挖掘一环的距离时,在盾尾就由施工人员进行管片拼装安装[10],与此同时,在已经开挖完的后方需要在隧道和衬砌管片之间注浆,通过这种方法施工也可以减小地层的变形,同时提高衬砌管片的抗渗透性及稳定性。
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2 盾构法施工引起地表沉降理论分析
 
2.1 地表沉降的原因
一般来讲,城市地铁隧道开挖施工过程中引起地表沉降的因素主要有:盾构开挖过程中引起的应力重分布导致土体变形移动、地层损失造成的地表变形沉降以及开挖过程中土体由于孔隙水压的变化从而导致的土体的应力重新分布而产生的次固结沉降。
 
2.1.1 应力重分布
盾构掘进前,附近土体的应力已达到初始平衡,由于盾构掘进的施工,会造成原本的部分土体被开挖出,从而导致原本的应力场发生改变,土体会自动移动达到新的应力平衡状态,而此处的土体也会受应力的作用发生弹塑性的变化,距离刀盘处越近的土体,变形的程度越大,距离刀盘处较远的土体,变形程度相对较小。城市地铁隧道建设施工过程中会把初始地层中的土体挖掉,然后在衬砌管片作用下形成支护,将其与周围的土层隔开,从而形成盾构隧道。土层损失则是指由于实际施工过程时开挖掉的土体的体积与最后挖完最终所形成的隧道的体积的差,在实际工程中通常用地层损失率表示[41]。地层损失率通常是用实际开挖的地层损失的体积与盾构施工过程中理论上应该挖掉的土体体积的百分比来表示。1969 年,Peck 基于大量的实际工程开挖的隧道所引起的地层沉降数据研究分析,拟合出开挖所引起的沉降变形的经验数学表达公式。且 Peck 假设在不排水情况下,认为隧道开挖所引起的变形沉降槽的体积应该与土层损失掉的体积相等,开挖引起的地表沉降变形曲线在横断面表现和正态分布曲线近似[15]。
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2.2 地表沉降的主要影响因素
盾构隧道开挖过程中所引发的地层沉降变形值与土体受到扰动变形有关,取决于隧道穿越的岩土层特性以及盾构施工工艺、隧道埋深及截面尺寸、注浆情况等。土体受到扰动产生的变形则是因为盾构开挖过程中土体受到切削后上面土体自重作用下产生位移,同时引起原始地场应力状态的变化,土体周边的孔隙水压等土体自身的含水量的变化也是产生变形的原因[42]。土体受到扰动及其产生沉降的主要因素包括以下几方面:(1)施工工艺不同造成的影响。施工工艺主要是盾构机的开挖面的支护平衡力模式,平衡模式不同采用的盾构机类型也不同,盾构机类型主要有泥水压平衡及土压力平衡。并且工程施工过程中由于地质条件不同,采用何种线路施工及隧道埋深,周边穿越的建筑物不同对于盾构机选型也会不同[43]。实际由于土压力平衡式的盾构机的造价相对低廉,且结构不复杂,易于操作,对周边环境污染较小等,往往当泥水压和土压力平衡式盾构机均能满足施工要求时,一般大部分施工建设单位会选择土压力平衡式盾构机。除盾构机选型外,由于实际土层的多样变化,一般来讲实际施工过程由于操作误差,开挖的速度,注浆压力及注浆量的控制,线路的偏离等都会引起不同程度的地表沉降。(2)开挖掌子面的土体变形移动。盾构开挖的过程中,由于盾构机开挖面处支护力的控制误差,也会引起前方土体的平衡失稳,从而导致土体的移动,引起地表的隆陷,如当盾构的平衡支撑力不足以平衡前方土体的应力时,土体会朝着开挖的后方移动引起地表沉降,反之则会隆起。
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3 西安地铁 4 号线尚北区间工程概况......13
3.1 工程背景.......13
3.2 盾构区间结构设计介绍.....18
3.3 施工监测方案设计.............20
3.4 本章小结.......27
4 盾构施工数值模拟分析....27
4.1 数值分析方法介绍.............28
4.1.1 FLAC3D 软件简介............. 28
4.1.2 材料本构关系的确定..........28
4.1.3 盾构开挖过程模拟..............29
4.2 典型区间地表沉降数值模拟分析...........29
4.2.1 基本假定........29
4.2.2 区间数值模型...........30
4.2.3 计算参数选取...........31
4.2.4 模拟工况及分析流程..........33
4.2.5 数值模拟结果分析..............34
4.2.6 结论.....56
4.3 本章小结.......56
5 结论..............58
5.1 结论....58
5.2 展望....58
 
4 盾构施工数值模拟分析
 
4.1 数值分析方法介绍
由于实际环境的复杂性,地铁隧道盾构法施工实际上是一个相当复杂的过程,且仅仅依靠经验公式或实验的手段难以用来全面的反映真实的开挖施工状态。所以数值模拟可以作为前面两种方法的补充,数值分析法也是目前盾构施工引起地表沉降变形的另一种可靠的研究手段。计算机技术的快速发展为工程项目的计算带来了新的方法以及更加直观便捷的表达。在岩土力学中,对实际工程实体项目进行科学的数值仿真模拟能够有效的预测和解决工程中出现的各类问题。常见的数值模拟方法有很多,如有限单元法、有限差分法、有限体积法、离散元法、边界元法和无单元法等[52]。其中实际工程中常用有限元法和有限差分法来进行数值仿真计算分析研究。FLAC3D[53]是 20 世界 90 年代中期发展的以有限差分为基础的数值仿真软件,它是美国的 ITASCA 公司同软件开发公司一起开发出的程序,采用有限差分显式法,该程序不但不需要生成矩阵而且对计算机本身的内存要求不高。FLAC3D 程序能够很好的模拟材料达到屈服极限时的塑性流变特性,考虑岩土体材料的强度或屈服极限情况,模拟其塑性破坏的发展过程。所以该程序在岩土地质工程、隧道工程、边坡工程、水利工程、采矿工程以及环境工程中得到推广[54,55],且被这些领域的工程师或研究者作为一种重要并且十分有用的计算研究工具。本文将采用有限差分软件FLAC3D对西安地铁4号线的隧道区间盾构开挖施工过程进行计算分析,通过数值模拟结果研究盾构隧道在穿过既有铁路时引起的地表沉降变形,同时通过改变调整实际施工过程中的工艺参数,使地表沉降和结构沉降控制在容许范围内,进一步指导后续施工,并和实际中的监测数据进行对比研究,以便分析汇总得出一些有价值的经验方法,即指导当前施工调整施工措施也为后续同类近似的工程提供相关的参考价值。
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结论
 
本文以西安地铁 4 号线尚北区间隧道盾构开挖施工为工程背景展开研究,通过对实际工程的状况及施工情况进行描述,由沉降变形理论出发,描述了沉降变形的原因及主要的影响因素,同时对实际工程采用有限差分软件 FLAC3D 进行数值建模计算,讨论相关施工参数的影响,对该区段内地表沉降变化规律进行分析研究。得出以下结论:
(1)城市地铁隧道在开挖的过程中,隧道正上方铁路箱涵沉降槽的中部,沉降值最大,远离隧道的箱体沉降值则逐渐减少,预测轨道沉降最大值约为 4.54mm(三维),与实测值接近,按已确定的控制标准可满足客专结构和运营安全。
(2)通过 3D 模型数值仿真计算结果得出:隧道在先开挖左线单侧时,地表横断面的沉降会出现凹槽形状的沉降变形,而当进行左右双线隧道的开挖时其影响范围和沉降量则会有明显相互叠加效应,且地表沉降最终沉降值控制在 6mm 以内。
(3)根据该区间段内的实际工程水文地质条件及盾构法施工的各类相关的参数,建立了相对完善的数值仿真模型。通过对模拟结果的分析表明:施工参数对地面及箱涵沉降具有显著影响,由实测数据与模拟结果的对比反分析可知,本次施工地层应力释放系数处于 0.1~0.2 之间,为后续工程提供施工模拟经验。在采取综合控制措施的情况下,盾构机掘进客专涵洞的影响较小,盾构施工能够保证铁路的运行安全。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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