盾构隧道沉降数值模拟

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1、致谢本论文的工作是在我的导师侯永峰老师的悉心指导下完成的，侯永峰老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，一言不足以表达我对侯老师的感激之情。两年多来，在侯老师的亲切关怀和谆谆教导下，我取得了长足的进步，侯老师是一位值得尊敬的良师，更是一位尽力帮助和关怀我的益友，在此衷心感谢两年来侯老师对我的关心和指导。周江天、李名淦两位工程师帮助下我完成了前期的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和指导，在此向周江天、李名淦两位工程师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，李承辉、张耘获、李健等同学对我论文中的模型方案以及

2、英文资料的查写方面的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人及身边的朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。绪论1．1选题背景1绪论盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，因盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是在软土盾构隧道中尤甚。扰动导致土体强度和压缩模量的降低将引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及临近建筑物和地下管网的安全，引起一系列的环境岩土问题。由此可见，就盾构施工对

3、周围地层的扰动机理的研究具有重大的意义。了解盾构开挖中的地基变位现象并研究其预测方法，主要有两个目的：其一是预先掌握盾构施工对临近建筑物的影响，以采取适当的处理措施：其二是根据动态观测结果判断施工的优劣，并改进施工方法。第一个目的即是要事先预测盾构施工对施工环境和临近已建建筑的影响，并且提出满足周围环境和已建建筑要求的施工措施。而第二个目的是在现场对盾构施工过程进行监控，并依据监控结果判断施工措施是否合理，调整施工措施，提高工程质量。综合国内外若干成功经验，可认为造成地表沉降的主要原因是盾构法施工过程中产生的地层损失引起地层移动。再进一步

4、分析，盾构开挖中地基变位的表现方式因盾构直径和覆土情况，地基状况的现场条件及盾构施工状况而不同。具体来说引起地层变位的有以下8个方面的因素【11。1．开挖表面土体的移动。盾构掘进时，如果出土速度过快而推进速度跟不上，开挖面土体则可能出现松动和崩塌，破坏了原来地层应力平衡状态，导致地层沉降或隆起；盾构机的后退也可能使开挖面塌落和松动引起地层损失而产生地表沉降。2．用降水疏干措施时，土体中有效应力增加，引起土体固结变形。3．土体挤入盾尾空隙。主要原因是因压浆不当，使盾尾后部隧道周边土体向盾尾坍塌产生地层损失，引起地层沉降。4．盾构推进方向的改

5、变．盾尾纠偏．仰头推进．曲线推进都会使实际开挖面北京交通大学硕士学位论文形状偏大于设计开挖面，而引起地层损失。5．壳移动与地层间的摩擦和剪切作用，引起地层损失。6．土体受施工扰动的固结作用。其中持续次固结沉降往往要持续几年，在软土中它所占的沉降量的比例甚至高达35％以上。7．随盾构推进而移动的J下面障碍物，使地层在盾构通过后产生空隙又未能及时注浆。8．在水压力的作用下隧道衬砌产生变形，会引起小量的地层损失。综合多年来的实践经验可以得出：盾构推进过程中引起的地层移动的因素有盾构直径、埋深、土质、盾构施工情况等。其中隧道线形、盾构外径、埋深等

6、设计条件和土的强度、变形特性、地下水位分布等地质条件，属于客观因素；而盾构的形式、辅助施工方法、衬砌壁后注浆、施工管理等情况，则属于主观因素。1．2国内外现状盾构隧道施工引起地表沉降的预测与控制研究是地下工程学科的重要应用和研究方向。30多年来，在现场实测和理论分析基础上，众多学者对盾构掘进引起的孔隙水压力、土压力及其它力学性质的变化作了深入研究，并提出了许多计算地表沉降的数学模型。随着计算机技术的发展，数值模拟分析方法在盾构施工引起地表沉降的研究中得到了越来越广泛的应用。1．2．1土体力学性质变化的研究Rowe和Lee通过实测和理论分析

7、发现应力路径会对土体弹性模量产生根本性影响。针对这一理论，易宏伟、孙均分析了盾构施工过程中相对于盾构不同位置处土体经历的应力路径，对盾构隧道周围扰动土体分为4个区‘21，如图2．1所示。建议将土体比贯入阻力和孔隙水压力变化作为评价土体扰动范围与程度的指标，数值计算中参数选择应考虑到应力路径的影响。2绪论———碾历9／／／＼。。，，，77＼，一7＼⋯．、／、，、，、／、，、，、，、，、，、／、、、．三．卸荷扰动区、’’⋯一／、、二【一二∑公(b)，／，．／四．卸荷扰动巨二．剪切扰动区图1．1盾构施：r扰动分区刘建航，侯学渊总结了盾构隧道施工

8、引起的孔隙水压的变化。盾构隧道周围土体受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区(正或负)。一般当盾构在推入某处地层后，盾构周围的超孔隙水压力如图1．2所示分布。当盾构离开该处地层