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原文传递盾构隧道下穿车站切削大直径排桩力学特性及掘进安全控制研究

论文题名：	盾构隧道下穿车站切削大直径排桩力学特性及掘进安全控制研究
关键词：	地铁隧道;盾构切桩;力学特性;参数优化
摘要：	城市地下空间工程在21世纪得到快速发展，由于先前地下空间缺乏合理性规划，导致中浅层地铁隧道修建穿越已有隧道、管道、建筑桩基等障碍物工况越来越多。对于桩基障碍物，一般采用地面冲桩、拔桩或是进行桩基托换等传统工法将既有障碍物移除，但存在工期较长、成本略高、施工环境恶劣等不利因素。而盾构高效切桩技术的出现与发展，为城市地铁隧道穿越桩基提供了更为安全、环保、经济的施工方式。在不同地质条件下，需要进行不同的盾构机适应性改造技术，用以提升机器适应能力、节约施工成本。　　但盾构切桩作为新兴工法，在切桩机理、掘进参数、适应性改造等方面还不完善，本文以郑州地铁6号线一期工程区间段苗圃站～二里岗站切削既有车站围护桩为背景，通过文献调研、理论分析、数值模拟、现场试验对比等方法和技术手段对上述内容展开研究，形成一套盾构直接切削多根大直径桩基的理论与施工技术。具体研究内容及结论如下: 　　（1)通过ansys-workbench建立盾构切刀切削混凝土三维数值模型，探究切桩过程混凝士破坏模式及切削机理，得到刀具的切削机理表现为前端混凝土受压压碎产生密实核，同时向周边混凝土传递应力，导致周边混凝土单元受拉破坏引起跃进破碎;考虑刀具影响因素与施工影响因素，对比分析上述因素对切削力的影响大小，并依据伊万斯（I.Evans）、日本学者理论模型与理论公式验证了数值模型和结果的正确性;制定正交模拟试验，通过对模拟数据进行极差分析与方差分析，确定合理施工及刀具改造范围内优先调整切深，其次刀宽，最后考虑前角原则,得到一种基于三维数值模拟和显著性分析建立盾构直接切桩参数优化方法。　　（2）建立盾构主力刀具切削钢筋三维数值模型，对比分析撕裂刀与切刀切断钢筋不同机理、有效应力与有效应变，得到撕裂刀刀具表现为弧面方向挤压的同时立面撕裂钢筋，切刀表现为两侧钢筋单元受剪切使切屑与钢筋逐渐分离形成一块完整的钢筋切屑;量化切削力及应力大小，研究撕裂刀对钢筋产生位移规律，研究表明接触面积的差异造成撕裂刀接触力比六齿切刀略大，撕裂刀会对钢筋产生向下的挤压位移，卸载之后变形只能产生小部分位移恢复，还有部分为残余变形不能恢复;建立组合刀具切削钢筋混凝土耦合模型，探究钢筋协同混凝土整体应力、损伤变化规律，提出整体模型受到组合刀具切削破坏的模式，分别为切削混凝土阶段、钢筋受损阶段、钢筋位移阶段、钢筋断裂阶段;量化切削力发现其受刀具接触到钢筋影响而发生数量级激增，并对比现场实例验证了模型正确性。　　(3)建立正常段盾构总推力计算模型与优化后切桩段推力模型，通过对比工程实测、经验公式与理论预测模型进行验证，正常段预测模型与实测总推力均值相比误差在6.7％左右，切桩段预测模型与实测总推力均值相比误差在2.2％左右;基于现场实测数据，将盾构正常段与切桩段掘进参数进行对比分析，得到切桩段推力扭矩受桩基刚度影响明显增大，甚至能达到正常段推力扭矩的两倍之多，贯入度降低至正常段约10％,推进速度降低至正常段10～15％左右，刀盘转速降低至正常段75％左右;对比分析切桩前中后过程中掘进参数之间相关性，得到正常段与切桩段参数相关性存在差异，桩基性质在切桩段占主导因素，推速与推力扭矩、推力切深指数及扭矩切深指数相关性均受到桩基影响发生变化。　　(4)提出针对切桩重难点的盾构施工参数、刀盘选型和刀具的改造加强合理方案，得到以撕裂刀、切刀为主配合其他辅助刀具可以顺利切削大直径排桩;通过刀具等磨损原则，计算主撕裂刀双阿基米德螺旋线布置函数及不同切削半径最少刀具数量，验证先行主撕裂刀双阿氏螺旋线布置合理性;通过分析施工沉降监测数据，判断地层与上覆车站的安全性，下穿车站途中采用管片配筋加强、同步注浆、二次注浆、克泥效填充和注入膨润土等措施避免了周围地层与既有车站的过大沉降，断面最大累计沉降仅为5.5mm,沉降值均处于可控范围之内。
作者：	刘泽亮
专业：	土木水利
导师：	管晓明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023