地铁隧道盾构施工中的几个问题

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盾构隧道技术己成为近年来城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法,但由于地质条件和施工工艺的限制,盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动,引起地层变形及地面沉降。地面沉降的两个基本原因为:一是不排水的地层损失;二是盾构隧道周围受扰动土体的固结和蠕变。当地层变形超过一定范围时,就会危及临近建筑物和地下管网的安全,引起一系列的环境岩土问题。由此可见,对盾构施工引起周围地层的沉降研究具有重大的意义。对于盾构施工引起的固结沉降及其相关问题的研究是本文研究的重点,主要研究内容如下:(1)垂直土体变形区域边界线的水平倾角是描述盾构施工引起的土体扰动范围的重要因素。对盾构施工引起的扰动范围进行了研究,根据极限平衡原理,得到了垂直土体变形区域边界线的水平倾角计算公式。在使用有限差分法确定的塑性区域基础上,研究了垂直土体变形区域边界线的水平倾角与盾尾间隙参数及隧道埋深的关系。(2)土体开挖卸荷引起应力释放,产生超孔隙水压力。在考虑盾尾间隙的条件下,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水应力理论,推导了在弹塑性土层中隧道施工产生的超孔隙水压力的计算公式。同时采用数值分析方法,考虑了盾尾间隙参数及隧道埋深对超孔隙水压力的影响。(3)盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。在超孔隙水压力研究的基础上,使用有限差分数值计算程序,对盾构施工引起的固结沉降进行了分析。研究成果成功的应用于上海地铁2号线,算例分析结果表明,该方法的预测值与实测值吻合较好。(4)基于振动结构模态分析理论,建立刀盘有限元计算模型,分析盾构刀盘的模态特性,得到刀盘振型分析的结果同盾构掘进中出现的实际问题现象相一致。另外,以模态分析的结果为依据,提出了增大刀盘模态的方法及对刀盘结构设计的建议。此设计建议可应用于其它盾构刀盘的结构设计中,具有较大的工程实用价值。
摘要第3-4页
abstract第4-5页
第一章 绪论第9-25页
    1.1 研究背景第9-11页
    1.2 国内外研究现状与发展趋势第11-21页
        1.2.1 地层变形理论经验公式与解析理论第11-16页
        1.2.2 隧道开挖引起土体扰动相关研究第16-19页
        1.2.3 模型试验与现场实测方法第19-20页
        1.2.4 数值分析方法第20-21页
    1.3 本课题研究目的和意义第21-22页
    1.4 本文研究主要内容及创新点第22-25页
        1.4.1 主要研究内容简介第22-23页
        1.4.2 主要创新点第23-25页
第二章 盾构施工地层沉降理论第25-41页
    2.1 盾构法施工原理第25-27页
    2.2 地层沉降与地层损失理论第27-32页
        2.2.1 盾构开挖引起的地层沉降第27-30页
        2.2.2 盾尾间隙参数第30-32页
    2.3 有效应力原理第32-35页
    2.4 达西定律与土的固结理论第35-40页
        2.4.1 达西定律第35-37页
        2.4.2 土的固结理论第37-40页
    2.5 本章小结第40-41页
第三章 盾构施工引起的土体扰动范围第41-47页
    3.1 盾构施工扰动分区第41-42页
    3.2 垂直土体变形区域边界线的水平倾角第42-43页
    3.3 扰动范围分析第43-45页
    3.4 工程实例分析第45-46页
    3.5 本章小结第46-47页
第四章 弹塑性土层中盾构施工的土体扰动第47-77页
    4.1 弹性土层中盾构施工的土体扰动第47-60页
        4.1.1 弹性土层中的应力第47-55页
            4.1.1.1 孔隙水压力分析第47-49页
            4.1.1.2 土层的应力扰动第49-55页
        4.1.2 数值模拟计算的实现第55-56页
        4.1.3 计算结果与分析第56-58页
        4.1.4 超孔隙水压力及固结沉降影响因素分析第58-60页
            4.1.4.1 隧道埋深的的影响分析第58-59页
            4.1.4.2 盾尾间隙参数的影响分析第59-60页
    4.2 弹塑性土层中盾构施工的土体扰动第60-75页
        4.2.1 Mohr-Coulomb本构模型第60-65页
            4.2.1.1 增量弹性法则第60页
            4.2.1.2 Moh- Coulomb 破坏准则第60-63页
            4.2.1.3 塑性修正第63-65页
        4.2.2 弹塑性土层中的应力扰动第65-69页
        4.2.3 计算结果与分析第69-71页
        4.2.4 超孔隙水压力及固结沉降影响因素分析第71-75页
            4.2.4.1 隧道埋深的的影响分析第71-73页
            4.2.4.2 盾尾间隙参数的影响分析第73-75页
    4.3 本章小结第75-77页
第五章 盾构施工引起的固结沉降分析第77-89页
    5.1 引言第77-78页
    5.2 Biot固结理论第78-81页
    5.3 计算结果与分析第81-84页
    5.4 工程实例分析第84-88页
        5.4.1 工程概况第84-85页
        5.4.2 计算结果分析第85-88页
    5.5 本章小结第88-89页
第六章 盾构掘进中刀盘模态分析第89-97页
    6.1 盾构刀盘有限元模型第89-90页
    6.2 盾构刀盘模态分析第90-93页
        6.2.1 刀盘振动结构模态分析理论第90-91页
        6.2.2 模态计算结果及分析第91-93页
    6.3 刀盘振动模态影响因素分析第93-95页
        6.3.1 刀盘振动结构模态分析理论第93-94页
        6.3.2 模态计算结果及分析第94-95页
    6.4 本章小结第95-97页
第七章 结论与展望第97-100页
    7.1 结论第97-98页
    7.2 展望第98-100页
参考文献第100-108页
发表论文和参加科研情况说明第108-109页
致谢第109页
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