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原文传递西安地铁隧道盾构施工开挖面稳定性及盾构支护力研究

论文题名：	西安地铁隧道盾构施工开挖面稳定性及盾构支护力研究
关键词：	西安地铁;盾构开挖;开挖面稳定;盾构支护力
摘要：	地铁盾构施工开挖面移动是诱发地表变形的重要影响因素之一。西安地铁施工首次在黄土地区进行大规模盾构开挖，由于西安特有的地层特征和施工条件，盾构施工将面临诸多技术难题。论文以西安地铁2＃线盾构施工为工程背景，以实验研究为基础，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，系统地研究了扁铲侧胀试验在西安地铁黄土隧道的应用、开挖面稳定分析方法、各工况下的盾构支护力与地表变形的变化规律，并对地铁穿越护城河的监测资料进行了分析，进行了各工况下的数值模拟。为西安地铁施工安全技术及工程提供重要理论基础。　　本文首次将扁铲侧胀试验应用于西安地铁隧道勘察。完成了西安地铁2＃线典型区间段的扁铲侧胀试验，对扁铲侧胀试验数据进行了分析处理，完成了划分土类、土的重度、压缩模量、地基土的计算强度等各指标的判定；通过与室内0K 固结试验数据对比，并结合试算，给出了适应于黄土的扁铲侧胀试验（DMT）测定静止土压力系数0K的经验公式。　　对盾构施工开挖面稳定分析及极限盾构支护力进行了系统研究。针对隧道顶上覆土压力的计算方法，推导出了三维太沙基松动土压力计算理论公式；根据盾构开挖面破坏形式研究，砂土地层中开挖面破坏形状表现为烟囱状，而在粘性土层中，破坏面的表现为下部较缓上部区域较大的盆状；基于此，根据筒仓理论，在极限平衡理论的基础上，考虑滑动体侧面摩阻力推导出了适用于理想散体的三维平面滑动模型计算开挖面支护力的理论公式，对粘性土推导出了基于筒仓理论的三维圆弧滑动无限条分法计算盾构支护力的理论公式，并通过一个算例给出了应用遗传算法搜索最危险圆弧的方法。完成了开挖面支护压力对地层变形影响的机理研究。通过数值模拟得到了开挖面水平位移与支护应力比关系曲线，并将该曲线分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段等三个阶段，据此给出了极限支护应力比的确定方法和开挖面从稳定到破坏的塑性区发展变化过程。通过在地表布设横向和纵向监测线，研究了不同支护应力比下地表沉降的变化规律。　　通过数值模拟研究了单洞施工时，上覆土层埋深与隧道直径比H/D为1～4时的开挖面水平位移与支护应力比关系曲线，得到对于H/D=1和H/D=1.5时，支护应力比与开挖面水平位移关系曲线有明显的陡降段， H/D=2～4时，曲线呈渐变趋势；极限支护应力比随着埋深的增加而减小，随着埋深的增大，开挖面极限支护应力不断增加。研究了盾构隧道双洞施工时隧道间距、两隧道工作面距离对开挖面支护压力的影响。得到在洞距一定的情况下，随着开挖支护应力的减小，开挖面水平位移增大，但开挖面极限支护应力比不变；开挖支护应力比一定时，随着洞距的增加，开挖面水平位移减小，但趋势较平缓；洞距越小，在两隧道对称轴上的沉降就越大，呈单孔隧道变化特征；随着洞距的增大，地表最大沉降呈马鞍形变化特征。在不同开挖面距离的情况下，开挖面极限支护应力比不变。在开挖支护应力比一定时，开挖面距离对开挖面的变形和破坏影响较小；随着开挖面距离的增大，地表沉降减小，最大沉降值位置向左偏移，在3倍洞径时，最大沉降值位于左洞正上方，可以认为此时右洞已对左洞的开挖没有影响。以西安地铁2＃线穿越护城河段为工程背景，在现场实际监测数据分析的基础上，得到河床底部堆载、调整盾构推力对于平衡盾构推力、抑制隆起变形起到了极大的作用，但堆载面积以外的地表隆起仍不容忽视；分别对河床底部有堆载和无堆载两种情况进行了分步开挖数值模拟，得到了各开挖步的竖直沉降云图和竖直沉降曲线，发现无堆载时，由于上覆土较薄，产生极大隆起变形，且变形值达到20mm以上，变形范围20m；当河床有堆载时，竖向变形曲线显示隆起变形得到极大抑制，且呈双驼峰状，隆起值主要发生在堆载面积以外，变形范围仍为20m。
作者：	郅彬
专业：	安全技术及工程
导师：	杨更社
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安科技大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文