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原文传递软土盾构隧道掘进环境效应及其邻近开挖响应研究

论文题名：	软土盾构隧道掘进环境效应及其邻近开挖响应研究
关键词：	隧道施工;盾构法;环境效应;邻近开挖;结构响应
摘要：	在软土地层中，盾构法施工将不可避免地扰动周围地层，引起地表及深层土体不同程度的位移，从而危及邻近结构物及地下构筑物的安全及正常使用。在盾构隧道建设完成并投入运营后，邻近施工如上部隧道穿越施工、隧道下穿开挖及基坑开挖卸荷等将导致建成后的隧道产生附加内力及附加位移，使得盾构隧道产生一系列不利影响，诸如管片开裂、螺栓脱开、渗漏水、纵向不均匀沉降等。因此，提出合理、简便的方法来预测盾构施工引起的环境效应及邻近施工对建成后的盾构隧道的影响具有重要的工程意义。本文在前人基础上，通过现场实测及理论分析等手段，研究了盾构施工对环境扰动影响及在邻近施工作用下（包括新建隧道上穿施工、基坑开挖、隧道下穿开挖）建成后盾构隧道的内力及变形特性。本文主要的工作及成果如下: 　　(1)指出采用“vt法”与“拟合直线法”相结合的方法，可合理划分瞬时沉降与固结沉降时间界限。指出在杭州软土地区，在地表无隆起的情况下，地表沉降可分为3个阶段，盾尾通过8.5～9天可以作为瞬时沉降及固结沉降的分界点;当同步注浆致使地表隆起的情况下，地表沉降可分为5个阶段，盾尾通过后11～12天进入固结沉降，比正常情况延迟2.0～3.5天。　　(2)提出考虑地层损失的隧道施工引起的超静孔隙水压力计算理论。计算结果表明:基于Skempton理论得到的结果与实测、有限元计算结果较为接近;而Henkel超孔隙水理论得到的结果与实际相差较大。　　(3)提出考虑盾构掘进参数的盾构施工引起地表及深层土体位移解析解。基于Mindlin基本解，在前人的研究基础上，进一步考虑刀盘挤土效应产生的切口附加推力、盾壳与周围土体不均匀分布摩擦力和软土软化特性及同步注浆压力引起的地层位移，叠加土体损失引起的地层位移，得到盾构施工过程中地表位移及深层土体位移公式。研究表明，该方法可以反映盾构到达时前方土体隆起及在同步注浆作用下地表土体隆起的现象;并能反映在盾构施工作用下深层土体向背离隧道方向移动的变形特征。　　(4)提出上穿隧道卸荷作用下既有盾构隧道纵向变形理论。既有盾构隧道简化为Euler-Bemoulli梁，地层与隧道结构相互作用通过Pastemak地基模型考虑。采用Mindlin弹性力学计算新建隧道开挖卸荷引起既有隧道位置处的附加荷载，建立卸荷作用下既有隧道纵向变形平衡微分方程，并通过有限差分法求解。通过与两个工程案例实测数据对比分析，验证了理论的正确性，并进一步研究不同因素对隧道纵向变形的影响。　　(5)进一步考虑盾构隧道接头对隧道整体剪切刚度的削弱作用，提出考虑隧道剪切效应的基坑开挖对下卧盾构隧道影响的理论解答。既有盾构隧道通过具有两个广义位移的Timoshenko梁来模拟。采用Minlin弹性解计算基坑卸荷开挖引起隧道附近荷载，建立在基坑卸荷作用下既有隧道纵向变形平衡微分方程，并通过有限差分法求解，从而获得上部基坑卸荷作用下隧道的纵向变形数值解答。通过与三个已发表工程案例实测数据进行对比，验证解析解答的正确性。研究指出，采用Euler-Bemoulli梁模拟隧道变形将高估盾构隧道结构受到的弯矩及剪力;另外，本文方法能进一步给出在基坑卸荷作用下管片间错台量纵向分布结果。　　(6)提出隧道开挖作用下上部既有隧道纵向响应的理论解答。既有隧道采用能考虑剪切效应的Timoshenko梁模拟。根据两阶段分析法，首先，采用Loganatha与Polous(1998)理论方法预测既有隧道所在位置处地层位移分布;其次，把计算得到位移施加于既有隧道上，建立考虑隧道剪切效应的控制微分方程，最后通过有限差分法求解得到既有隧道的内力及位移的数值解。通过与两个已发表的工程案例实测数据相对比，验证了本文方法的正确性。研究表明，基于Euler-Bernoulli梁理论的计算结果将明显高估隧道所受到的剪力及弯矩作用。
作者：	梁荣柱
专业：	岩土工程
导师：	夏唐代;张忠苗
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文