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原文传递超大直径泥水平衡盾构机穿越黄河土体扰动机理及沉降预测模型研究

论文题名：	超大直径泥水平衡盾构机穿越黄河土体扰动机理及沉降预测模型研究
关键词：	隧道施工;泥水平衡盾构法;土体扰动;地层沉降;预测模型
摘要：	随着我国社会经济的快速发展，许多城市现有空间已经无法满足城市发展需求，越来越多的城市需要跨越黄河或者长江甚至海湾等自然屏障来扩大发展空间,因此城市地下空间工程逐渐开始扮演更加重要的角色。在隧道建设过程中会不可避免穿越既有建筑物或者构筑物，施工中保证既有结构的稳定便显得尤为重要。目前泥水平衡盾构法已经在众多穿越江河湖海的隧道工程中得到了广泛应用，与土压平衡盾构法相比，泥水平衡盾构法通过控制泥浆压力，能够准确的实现切口压力传递，对开挖面土压力平衡控制更加精准，且刀盘扭矩较小，更加适用于含水率较高软土地层的隧道施工。本文依托国内首条黄河隧道工程，结合有限元数值模型和Peck经验公式方法，研究黄河软土地层盾构施工的土体扰动机理，分析盾构掘进参数对地层沉降的影响，提出适用于黄河地层的沉降预测模型，弥补以往沉降经验公式未考虑盾构施工参数的不足。本文主要研究内容如下: 　　(1)通过归纳总结现有的盾构施工中地层沉降影响规律、研究成果以及研究方法，分析黄河软土地层的沉降特点，研究孔隙水压力、开挖面附加应力、盾体与土体摩擦剪切、地层损失率等对地层沉降的影响特点。结合济南黄河隧道工程沉降监测数据，研究横向沉降槽宽度i和坡度比β的变化规律，将纵向沉降过程分为盾构到达前、盾构即将到达、盾构通过、衬砌间隙填充、盾构远离五个阶段,分析五个沉降阶段在总沉降中的占比。　　(2)基于济南黄河隧道工程左线隧道盾构施工参数以及地层特点，建立盾构穿越黄河地层三维数值模型。采用生死单元法模拟盾构机掘进过程;设置间隙单元刚度模拟盾体临时支护;调整盾尾物理间隙单元模拟注浆;使用Druker-Prager屈服准则作为本构模型。通过数值模拟分析黄河地层位移变化过程，将数值结果与实际监测数据对比，得出二者横向沉降槽宽度i变化最大误差在7.8％以内，地表最大沉降量Smax最大误差在8.6％以内，由此可知数值分析结果与工程监测数据吻合程度较高，验证了数值模型的准确性。　　(3)在盾构穿越黄河地层三维数值模型基础上，研究盾构掘进参数对地层沉降的影响机理。在隧道开挖面轴线方向设置均布力来模拟切口压力，通过设置不同切口压力比η，得出当η位于1.0-1.2之间时对地层位移影响最小。在洞壁开挖边界设置反向均布力模拟注浆压力，通过设置不同注浆压力比δ,得出当δ控制在1.1≤δ≤1.2范围内更为合理。通过调整注浆单元与物理间隙的比例模拟注浆填充率ω，发现有效注浆填充率在70％以上时，可以保证黄河地层沉降在可控范围内。　　（4）基于盾构穿越鹊山民居、黄河北大堤、黄河浅滩、黄河南大堤、济南北二环高架桥五个断面的左线隧道沉降监测数据开展Peck公式线性回归分析，通过回归分析和R检验结果发现，沉降回归曲线与实测数据线性相关性较好，但是典型Peck公式直接预测结果与实际监测数据误差较大。因此结合左线隧道24个断面沉降监测数据以及盾构掘进参数，引入地表最大沉降量系数λ，沉降槽宽度系数γ,修正了适合预测黄河地层沉降的Peck公式模型。采用右线隧道不同工况下12个监测断面的沉降数据，验证修正后Peck公式模型准确性，发现约92％的沉降监测数据落在了上下限曲线内，说明修正后的Peck公式模型可以较为精确的预测黄河软土地区盾构施工的沉降情况。
作者：	刘成志
专业：	土木水利
导师：	李晓静;冯修新
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023