大型泥水盾構(gòu)近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵的擾動(dòng)位移特性及施工風(fēng)險(xiǎn)研究.pdf

1、盾構(gòu)法隧道歷經(jīng)180余年的發(fā)展,迄今世界各國(guó)建造了數(shù)以千計(jì)的各種類型、各種直徑的盾構(gòu),我國(guó)上海、北京、廣州、深圳等地成功建設(shè)了各種大型盾構(gòu),盾構(gòu)施工技術(shù)水平不斷提高。當(dāng)隨著國(guó)內(nèi)外地鐵等地下管網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展、城市地下空間開發(fā)利用模的不斷擴(kuò)大,盾構(gòu)法施工在不斷普及和高速發(fā)展的同時(shí)不斷向大深度、急曲線、長(zhǎng)距離、大直徑的趨勢(shì)發(fā)展。同時(shí),近距離穿越己建地下結(jié)構(gòu)情況日益增多。尤其新建隧道將不可避免面臨近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵等復(fù)雜技術(shù)難題和施工風(fēng)險(xiǎn)的挑

2、戰(zhàn)。
　　 本研究圍繞大型泥水盾構(gòu)隧道近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵的關(guān)鍵技術(shù)與理論問題,通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、原位監(jiān)測(cè)及理論分析,系統(tǒng)研究了同步注漿漿液的物理力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)盾構(gòu)施工擾動(dòng)位移的影響、近距離穿越施工過程土體位移特性及施工因素的影響作用、地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)列車動(dòng)載條件下振動(dòng)位移增量場(chǎng)的數(shù)值解法、近距離施工擾動(dòng)狀態(tài)下已建地鐵隧道穩(wěn)定性等。取得了相應(yīng)有創(chuàng)新意義和工程實(shí)用價(jià)值的研究成果:
　　 (1)通過室內(nèi)試驗(yàn),系統(tǒng)研究

3、水泥品種、水玻璃模數(shù)及其配比對(duì)盾構(gòu)同步注漿漿液物理力學(xué)特性的影響。研究顯示:ⅰ)高標(biāo)號(hào)水泥雙液漿強(qiáng)度和彈性模量隨水玻璃模數(shù)及其配比的提高而增大；而低標(biāo)號(hào)水泥雙液漿強(qiáng)度和彈性模量對(duì)應(yīng)于水玻璃配比存在一個(gè)“最佳值”；ⅱ)低標(biāo)號(hào)水泥、模數(shù)2.8水玻璃材料配制的雙液漿滲透性強(qiáng)且固化時(shí)間長(zhǎng),對(duì)及時(shí)充填盾構(gòu)外部空隙、減少土體損失以及減少注漿量不利。成果對(duì)盾構(gòu)施工同步注漿漿液用水泥標(biāo)號(hào)、水玻璃模數(shù)、材料配比等參數(shù)選擇有實(shí)用指導(dǎo)意義。
　　 (

4、2)考慮盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其加工精度的影響,采用接觸力學(xué)理論建立了隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際有效厚度的計(jì)算方法。結(jié)果表明:管片實(shí)際有效承載厚度與極限加工誤差成負(fù)指數(shù)關(guān)系；隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際總體剛度減少將對(duì)土體位移場(chǎng)、結(jié)構(gòu)變形等產(chǎn)生不利影響。
　　 (3)通過合理控制盾構(gòu)切口水壓、同步注漿壓力等施工參數(shù)可達(dá)到控制土體損失率從而有效控制在建隧道及已建隧道的變形及位移目的:ⅰ)對(duì)近鄰隧道結(jié)構(gòu)位移而言,土體損失率存在“最佳值”,當(dāng)土體損失率大于該值時(shí),隧道

5、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降,且豎向位移逐漸增大；當(dāng)土體損失率小于該臨界值,隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生“上浮”。合理控制施工參數(shù),將土體損失率控制在“最佳值”左右一定范圍內(nèi)即可有效控制周邊隧道結(jié)構(gòu)豎向位移,滿足管線保護(hù)的要求。ⅱ)隧道下行穿越施工過程中,無(wú)論土體損失率大小,上部已建隧道頂板沉降峰值均大于其底板沉降峰值,即施工擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)已建隧道斷面不同程度上呈“橢圓化”。ⅲ)穿越施工過程中,上部隧道管環(huán)結(jié)構(gòu)將不同程度承受拉應(yīng)力,容易到成管環(huán)接縫滲漏或局部破壞。

6、>　　 (4)針對(duì)隧道近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵時(shí)列車振動(dòng)荷載與穿越施工相互影響的復(fù)雜性及其求解難度,在充分考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上依據(jù)力學(xué)作用效果等效原則,建立了適用于工程實(shí)際的耦合動(dòng)力分析模型及分段求解方法,采用自主研發(fā)的車橋耦合數(shù)值分析軟件結(jié)合ANSYS通用軟件分析系統(tǒng)相結(jié)合方法,研究已有地鐵線路運(yùn)行的振動(dòng)對(duì)于近距離隧道施工的動(dòng)態(tài)影響。結(jié)果表明:當(dāng)上部隧道正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行隧道下行穿越施工時(shí),由于地鐵列車振動(dòng)荷載作用下穿隧道及運(yùn)營(yíng)地鐵隧

7、道都將產(chǎn)生較大的豎向振動(dòng)響應(yīng)位移增量。成果為西藏南路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)采用,有效地避免了工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、確保了工程安全。
　　 (5)通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步系統(tǒng)深化了開挖卸載(初始土體損失率)、孔隙水壓、工作面切口壓力、同步注漿壓力等綜合因素對(duì)盾構(gòu)隧道開挖擾動(dòng)位移場(chǎng)的影響。總結(jié)出:ⅰ)同步注漿壓力(注漿量)直接影響土體分層沉降(靠近盾構(gòu)注漿孔區(qū)域尤為顯著)及徑向水平位移,而對(duì)土體軸向水平位移的影響甚微。ⅱ)盾構(gòu)工作面前方土體位移主

8、要受切口壓力支配,當(dāng)切口壓力小于土體壓力時(shí),工作面前方土體處于主動(dòng)土壓力狀態(tài)從而產(chǎn)生向切口方向的卸載位移,土體產(chǎn)生與盾構(gòu)推進(jìn)方向相反的位移；當(dāng)切口壓力等于土體壓力時(shí),工作面前方土體處于靜止土壓力狀態(tài)從而產(chǎn)生輕微的“頂推”位移；切口壓力大于土體壓力時(shí),工作面前方土體位移進(jìn)一步增大,位移方向與盾構(gòu)推進(jìn)方向相同?？傮w上,工作面前方土體位移表現(xiàn)出對(duì)切口壓力的高度敏感性及依存性。進(jìn)一步完善了該方面的理論成果。
　　 (6)進(jìn)一步明確了豎平

9、面內(nèi)位移場(chǎng)呈非對(duì)稱分布規(guī)律。即:無(wú)論同步注漿壓力大小,隧道底板土體均不同程度地顯示出“上浮"位移模式,即隧道底板位移具有不可逆的“上浮”特性；而隧道頂板土體的隆沉則與同步注漿壓力緊密相關(guān):當(dāng)同步注漿壓力P≤Ps時(shí),頂板土體產(chǎn)生沉降位移；當(dāng)同步注漿壓力P≥Ps時(shí),頂板土體將產(chǎn)生“上浮”位移。成果進(jìn)一步充實(shí)了盾構(gòu)施工擾動(dòng)位移場(chǎng)理論。
　　 綜上所述,本研究進(jìn)一步深化與完善了大型泥水盾構(gòu)近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵相關(guān)技術(shù)及理論體系。部分成果被