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原文传递越江隧道土压平衡盾构施工对地层变形的影响研究

论文题名：	越江隧道土压平衡盾构施工对地层变形的影响研究
关键词：	地铁隧道;土压平衡盾构法;掘进参数;地层变形
摘要：	富水软弱地层，特别是水下高水压地层环境中采用土压平衡盾构（EPBs）法修建隧道需要面临较大的施工风险，一旦发生事故，可能会带来巨大的经济损失和人员伤亡，隧道掘进时需要特别注意施工对周围环境的影响。本文依托杭州地铁6号线过江隧道工程实践，结合现场实测、理论计算和数值分析方法，对越江隧道盾构施工的响应进行分析，主要内容包括：　　（1）越江盾构掘进参数及其对地层影响的理论分析。根据穿越陆地段和江底段的土压平衡盾构机掘进参数记录数据，分析掘进参数的计算方法，并探讨了各参数的设定规律及之间的联系，并基于Mindlin理论解和饱和土体集中力作用下的封闭解，推导了盾构施工过程中盾构附加推力、盾壳摩擦力、注浆压力、刀盘摩擦力等掘进参数引起的土层沉降和超孔隙水压计算方法，结合越江隧道盾构施工数据对地层沉降和超孔隙水压变化规律进行了分析，针对该两种方法计算得到的结果进行了对比，并分析了土层性质、隧道直径和埋深等对地面沉降的影响。结果表明，江底盾构穿越圆砾层时刀盘的扭矩明显增加，盾构各掘进参数容易产生较大波动，根据开挖面静止土压力值将土仓压力控制在稳定水平有助于保持刀盘扭矩的稳定，减少刀盘的磨损并提高推进速度；盾构施工中刀盘扭矩、盾构推力、注浆压力、土仓压力之间基本呈弱正相关关系；盾壳摩擦力和注浆压力对地层沉降和孔隙水压的影响较大，而刀盘摩擦力对地层的基本没有影响。　　（2）盾构施工对地层变形的影响的实测及模拟分析。根据实测数据对该工程中地面沉降分布规律、沉降槽宽度和地层损失率等进行了分析，地表最大沉降值随着隧道埋深的增加而呈线性降低，沉降槽宽度参数与地层损失率之间表现出一定的线性相关性。采用Flac3d软件，基于流固耦合理论，建立了考虑各施工因素的三维数值模型，分析了盾构开挖过程中土层位移和孔隙水压的变化规律，并与实测值进行了对比。结果表明，沉降槽宽度随着土层深度的增加而减小，盾构施工引起的超孔隙水压基本分布在开挖面附近2D（D为隧道直径）范围内。　　（3）盾构施工对周围建筑及管线影响的理论分析。考虑了地基的剪切刚度，隧道与管线的夹角，建立了双线隧道开挖引起的管线纵向位移的Pasternak地基梁分析方法，将计算结果与DCM数值模拟及现场实测进行了对比验证，分析了夹角、隧道轴线距离、地层损失率、相对抗弯刚度等因素对管线沉降的影响，最后基于Timoshenko梁模型考虑了管线抗剪刚度的影响。计算隧道开挖引起的沉降值时不考虑抗剪刚度所造成的误差不超过1%，验证了Euler-Bernoulli梁模型的合理性。基于天然地面沉降规律及等效梁的方法，考虑建筑的弯曲和剪切效应，考虑建筑与土的相互作用关系，采用双地基系数，通过微分平衡的方法，得到隧道施工引起的建筑沉降曲线。分析中，考虑建筑与土体之间出现空隙的可能性，并分析参数所带来的影响。结果表明，隧道开挖影响下，低层建筑底部可能出现间隙，若未出现间隙，则该建筑的重量对建筑的沉降量无影响。　　（4）江底盾构施工对地层影响的模拟分析。基于陆地段数值模拟方法，建立了江底深水区段的三维数值分析模型，分析了水下盾构隧道施工引起的地层位移和孔压变化规律。考虑隧道渗漏的风险，分别对黏土、粉砂、圆砾土层中开挖面渗水和局部衬砌渗水引起的地层变化进行了对比分析，探讨了水位变化对地层的影响。相比于陆地段隧道施工的影响，江底段土体损失率略高，相同隧道埋深下江底盾构施工引起的各深度处土层沉降槽更宽。
作者：	祝金龙
专业：	岩土工程
导师：	朱大勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2021