西安地鐵隧道盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定性及盾構(gòu)支護(hù)力研究.pdf

1、地鐵盾構(gòu)施工開(kāi)挖面移動(dòng)是誘發(fā)地表變形的重要影響因素之一。西安地鐵施工首次在黃土地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模盾構(gòu)開(kāi)挖，由于西安特有的地層特征和施工條件，盾構(gòu)施工將面臨諸多技術(shù)難題。論文以西安地鐵2＃線盾構(gòu)施工為工程背景，以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在西安地鐵黃土隧道的應(yīng)用、開(kāi)挖面穩(wěn)定分析方法、各工況下的盾構(gòu)支護(hù)力與地表變形的變化規(guī)律，并對(duì)地鐵穿越護(hù)城河的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了分析，進(jìn)行了各工況下的數(shù)值模擬。為西

2、安地鐵施工安全技術(shù)及工程提供重要理論基礎(chǔ)。
　　 本文首次將扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)應(yīng)用于西安地鐵隧道勘察。完成了西安地鐵2＃線典型區(qū)間段的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，完成了劃分土類(lèi)、土的重度、壓縮模量、地基土的計(jì)算強(qiáng)度等各指標(biāo)的判定；通過(guò)與室內(nèi)0K 固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，并結(jié)合試算，給出了適應(yīng)于黃土的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（DMT）測(cè)定靜止土壓力系數(shù)0K的經(jīng)驗(yàn)公式。
　　 對(duì)盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定分析及極限盾構(gòu)支護(hù)力進(jìn)行了系統(tǒng)研

3、究。針對(duì)隧道頂上覆土壓力的計(jì)算方法，推導(dǎo)出了三維太沙基松動(dòng)土壓力計(jì)算理論公式；根據(jù)盾構(gòu)開(kāi)挖面破壞形式研究，砂土地層中開(kāi)挖面破壞形狀表現(xiàn)為煙囪狀，而在粘性土層中，破壞面的表現(xiàn)為下部較緩上部區(qū)域較大的盆狀；基于此，根據(jù)筒倉(cāng)理論，在極限平衡理論的基礎(chǔ)上，考慮滑動(dòng)體側(cè)面摩阻力推導(dǎo)出了適用于理想散體的三維平面滑動(dòng)模型計(jì)算開(kāi)挖面支護(hù)力的理論公式，對(duì)粘性土推導(dǎo)出了基于筒倉(cāng)理論的三維圓弧滑動(dòng)無(wú)限條分法計(jì)算盾構(gòu)支護(hù)力的理論公式，并通過(guò)一個(gè)算例給出了應(yīng)用遺

4、傳算法搜索最危險(xiǎn)圓弧的方法。完成了開(kāi)挖面支護(hù)壓力對(duì)地層變形影響的機(jī)理研究。通過(guò)數(shù)值模擬得到了開(kāi)挖面水平位移與支護(hù)應(yīng)力比關(guān)系曲線，并將該曲線分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段等三個(gè)階段，據(jù)此給出了極限支護(hù)應(yīng)力比的確定方法和開(kāi)挖面從穩(wěn)定到破壞的塑性區(qū)發(fā)展變化過(guò)程。通過(guò)在地表布設(shè)橫向和縱向監(jiān)測(cè)線，研究了不同支護(hù)應(yīng)力比下地表沉降的變化規(guī)律。
　　 通過(guò)數(shù)值模擬研究了單洞施工時(shí)，上覆土層埋深與隧道直徑比H/D為1～4時(shí)的開(kāi)挖面水平位移與支

5、護(hù)應(yīng)力比關(guān)系曲線，得到對(duì)于H/D=1和H/D=1.5時(shí)，支護(hù)應(yīng)力比與開(kāi)挖面水平位移關(guān)系曲線有明顯的陡降段， H/D=2～4時(shí)，曲線呈漸變趨勢(shì)；極限支護(hù)應(yīng)力比隨著埋深的增加而減小，隨著埋深的增大，開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力不斷增加。研究了盾構(gòu)隧道雙洞施工時(shí)隧道間距、兩隧道工作面距離對(duì)開(kāi)挖面支護(hù)壓力的影響。得到在洞距一定的情況下，隨著開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)力的減小，開(kāi)挖面水平位移增大，但開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力比不變；開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)力比一定時(shí)，隨著洞距的增加，開(kāi)挖面水平

6、位移減小，但趨勢(shì)較平緩；洞距越小，在兩隧道對(duì)稱(chēng)軸上的沉降就越大，呈單孔隧道變化特征；隨著洞距的增大，地表最大沉降呈馬鞍形變化特征。在不同開(kāi)挖面距離的情況下，開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力比不變。在開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)力比一定時(shí)，開(kāi)挖面距離對(duì)開(kāi)挖面的變形和破壞影響較小；隨著開(kāi)挖面距離的增大，地表沉降減小，最大沉降值位置向左偏移，在3倍洞徑時(shí)，最大沉降值位于左洞正上方，可以認(rèn)為此時(shí)右洞已對(duì)左洞的開(kāi)挖沒(méi)有影響。以西安地鐵2＃線穿越護(hù)城河段為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)

7、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得到河床底部堆載、調(diào)整盾構(gòu)推力對(duì)于平衡盾構(gòu)推力、抑制隆起變形起到了極大的作用，但堆載面積以外的地表隆起仍不容忽視；分別對(duì)河床底部有堆載和無(wú)堆載兩種情況進(jìn)行了分步開(kāi)挖數(shù)值模擬，得到了各開(kāi)挖步的豎直沉降云圖和豎直沉降曲線，發(fā)現(xiàn)無(wú)堆載時(shí)，由于上覆土較薄，產(chǎn)生極大隆起變形，且變形值達(dá)到20mm以上，變形范圍20m；當(dāng)河床有堆載時(shí)，豎向變形曲線顯示隆起變形得到極大抑制，且呈雙駝峰狀，隆起值主要發(fā)生在堆載面積以外，變形范圍仍為20