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原文传递软土地层盾构隧道施工过程控制及管片结构力学行为研究

论文题名：	软土地层盾构隧道施工过程控制及管片结构力学行为研究
关键词：	隧道工程;盾构施工;过程控制;管片力学行为;软土地层
摘要：	随着我国地铁进入大规模建设时期，盾构工法在地铁区间隧道开挖工程中获得了越来越广泛的应用，同时，盾构穿越不良地质体的施工过程安全性控制及结构稳定性控制已成为重要研究课题。软土地层是盾构隧道开挖施工中经常遭遇的不良地质体，该地层具有结构松散、自稳能力差等特性，在盾构施工过程中存在盾构穿越端头失稳、盾构开挖扰动已有桩基础或浅基础、联络通道开挖失稳塌方、盾构开挖导致地层沉降过大及盾构管片接头接缝薄弱环节损伤等问题。　　天津地铁某盾构区间隧道主要从市区主干道下或密集建筑物下穿过，通过地层为以淤泥质土为主的软土地层，且地层中富含地下水，使得盾构工程在施工过程控制及结构稳定性控制方面存在极大困难。而对于盾构穿越如此特殊地层时盾构施工对周围环境的影响问题，国内系统研究较少，国外也无完全成熟的经验，亟待结合工程实践研究解决。　　本文针对天津地区软土地层盾构工程的施工过程控制及管片结构力学行为两个方面，综合运用理论分析、模拟试验、数值模拟与现场监测相结合的研究方法，针对软土地层盾构隧道施工过程中最复杂的关键工序展开系统研究，主要工作及创新成果如下：　　（1）软土地层盾构端头袖阀管注浆控制理论研究　　基于粘度时变性牛顿流体浆液本构方程，考虑速凝浆液扩散过程中浆液粘度空间分布的不均匀性，建立了速凝浆液二维柱面渗透注浆扩散理论模型，并开展了二维可视化渗透注浆扩散模拟试验，通过理论与试验结果的对比验证，获得了袖阀管分段注浆工况下注浆压力、注浆速率与扩散半径之间的定量关系。　　（2）软土地层盾构近接桩基础或浅基础施工扰动影响研究　　依托具体工程案例，分别对盾构近接穿越桩基础及浅基础两种典型工况建立数值计算模型开展数值计算，揭示了盾构隧道开挖掘进过程中隧道周边及桩基础或浅基础周边塑性破坏区、应力场、位移场及地表沉降的演变规律，根据分析结果确定了依托工程盾构推进速度、刀盘转速、土舱压力、同步注浆量等掘进参数和桥梁桩基、临近建筑物的加固措施。　　（3）软土地层盾构区间联络通道施工影响研究　　基于冻结加固方法的加固效果开展数值分析，研究联络通道施工对主隧道内力变化的影响，获得了联络通道施工所引起的应力场变化情况，确定了冻结区应力极值及安全系数，结合现场冻结法施工所对应的全阶段地表沉降及隧道变形监测数据，分析了不同阶段地表沉降及隧道变形演化规律，验证了冻结法加固的有效性。　　（4）软土地层盾构掘进导致地层沉降变形规律研究　　研究盾构施工导致地层变形机制，从隧道开挖变形、地表沉降的角度分析先挖线路对后挖线路变形特征的影响，分析并验证了双线隧道盾构施工导致地表沉降的叠加效应，揭示了盾构土舱压力、同步注浆量和出渣量等因素对地表最大沉降量的影响规律，获得了与工程相匹配的盾构施工参数。　　（5）软土地层盾构管片结构力学性能研究　　从盾构管片接头力学性能及不同拼装方式对管片力学性能的影响两个方面展开研究，分别揭示了不同弯矩、轴力条件下管片接头力学性能演化规律，以及不同拼装方式下管片结构沿环向、纵向的轴力和弯矩、水平和竖向位移随着封顶块中心位置和错缝角度的变化规律，根据研究成果对工程的管片拼装方式进行了优化。
作者：	冯慧君
专业：	力学
导师：	俞然刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国石油大学(华东)
学位年度：	2019