大截面曲线盾构工程围岩—压力浆液—管片耦合分析模型及其应用研究

作     者：罗科奇 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖尊群

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：曲线盾构 耦合分析 数值模拟 地表沉降 理论分析 

摘      要：曲线盾构在城市隧道建设中的应用越来越广泛,但其对周边环境的影响较为复杂。目前关于盾构隧道引起的地表沉降研究多是直线隧道与水平曲线隧道,对于竖向曲线盾构掘进状态下,考虑注浆压力、掘进方向等因素引起的地表沉降的研究还比较少。本文依托北京市通州区东六环路(京哈高速～潞苑北大街)改造工程,运用现场实测方法、理论分析方法和数值模拟方法对大截面竖向曲线盾构引起的地表土体变形规律进行研究,主要研究内容及成果如下:(1)考虑盾构竖向掘进转弯方向与转弯角度,基于Mindlin推导出开挖面附加推力、盾壳摩阻力、盾尾注浆压力以及地层损失引起的地表沉降计算公式,并结合工程实例分析验证公式的可行性。公式计算结果表明,开挖面前土体隆起主要与盾壳摩阻力有关,开挖面后土体隆起主要是盾尾注浆压力造成的。地表沉降主要受地层损失的影响最大。开挖面附加推力与盾壳摩阻力引起的地表变形呈反对称分布,盾尾注浆压力在管片脱出盾尾处隆起值最大,沿该位置向两侧地表隆起值逐渐减小,呈对称分布。推力差异系数和摩阻力差异系数大小均与地表沉降值呈正相关,曲线半径大小与地表沉降值呈负相关。(2)利用ABAQUS有限元分析软件,通过在管片外壁与隧道内壁施加注浆压力以及在管片周围建立浆液软化层来模拟浆液作用,建立管片、浆液、围岩耦合分析模型,并结合工程实测数据进行对比分析。模拟值与实测值地表沉降变化趋势基本一致,对比结果验证了模型的合理性。数值模拟结果显示第一阶段与第二阶段产生的地表沉降量占总沉降量的比例最大,这部分沉降与开挖面的稳定性有关。第五阶段所占的比例最小,该部分沉降与浆液软化层参数选取以及注浆压力大小设置有关。(3)基于竖向曲线盾构管片、浆液、围岩耦合分析模型,探究不同因素对地表沉降的影响,结果表明地表沉降值随着曲线半径的减小而增大。随着隧道埋深的增加,地表沉降量逐渐减小,地表沉降槽宽度逐渐增大。随着掌子面支护力的增大,地表沉降量和横向沉降槽的宽度逐渐减小。随着注浆压力的增大,地表沉降值逐渐减小。