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盾构施工全过程地表沉降流固耦合分析

2020-12-08阅读(242)

盾构施工全过程地表沉降流固耦合分析

论文摘要

盾构法因具有较多施工优点而被广泛应用于城市隧道建设中,但盾构开挖不可避免地影响周围土体变形,主要是盾构在不排水条件下产生的地层损失和扰动后的土体再固结。当地层变形超过一定范围时,就会危及到周围建(构)筑物和地下管线,从而产生较大的经济损失,特别是太原地质条件为富水软弱地层,盾构施工扰动伴随流固耦合效应,且相对缺乏施工经验,因此,采用水土流固耦合原理分析盾构施工过程引起土体变形具有重要意义。本文以太原地铁南内环~双塔西街标段为工程背景,采用理论分析、理论解析、正交试验和数值模拟相结合的方法,分析了盾构掘进参数引起地表沉降规律,且在分析过程中充分考虑流固耦合作用的影响,利用正交试验方法,为太原地铁提供一套较为完善的盾构推进组合参数,同时在该参数下系统研究了盾构机施工从模型始发到钢壳完全脱出地层全过程对土体的扰动,提出控制地表沉降措施,本文主要研究内容如下:(1)总结了国内外盾构施工采用的研究方法,详细阐述了盾构施工引起土体变形的机理和扰动范围,推出考虑重力的非均匀注浆压力引起最大地表沉降的解析式,进而表明该因素的重要性;对现有的数值模拟因素进行完善,即考虑盾构机外壳长度、开挖面支护压力、上大下小非均匀分布的注浆压力、流固耦合作用等,建立了更加符合实际工程的计算模型,并通过与宁波某区间实测数据对比分析,证明考虑流固耦合模型的必要性和数值模拟的正确性。(2)通过对影响地表沉降的因素进行规律分析,在综合考虑多种施工因素的条件下,拟合出地表沉降计算公式,采用正交试验的方法找到较优参数的组合形式,得出影响地表沉降的主要影响因子为注浆量。(3)基于正交试验得到较优的组合参数,建立流固耦合模型,选取开挖环数分别为6环、12环、18环、24环和26环时,通过观察监测断面的位移场、应力场、渗流场和塑性区的分布情况,分析盾构推进对土体扰动影响,以此掌握地表沉降全过程的发展规律以及证明所选参数的合理性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 选题背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 理论解析法与现场监测
  •     1.2.2 模型试验法与现代数学法
  •     1.2.3 数值模拟法
  •   1.3 主要研究内容与技术路线
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 技术路线
  • 第二章 盾构隧道施工地层变形机理分析
  •   2.1 盾构法施工简介
  •   2.2 地层沉降原因
  •     2.2.1 地层损失
  •     2.2.2 受扰动土体的固结
  •   2.3 地层变形时间和空间效应理论
  •     2.3.1 地层沉降的时间变化效应
  •     2.3.2 地层沉降的空间变化效应
  •   2.4 流固耦合相互作用原理
  •     2.4.1 盾构流固耦合原理
  •     2.4.2 流固耦合在数值计算中原理
  •     2.4.3 有效应力原理
  •   2.5 考虑浆液自重的流固耦合模型分析
  •     2.5.1 考虑重力的注浆压力引起地表变形
  •     2.5.2 数值模拟与结果分析
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 流固耦合条件下盾构掘进对地表沉降规律分析
  •   3.1 区间工程概况
  •     3.1.1 区间工程简介
  •     3.1.2 区间工程地质及水文地质
  •   3.2 模型建立
  •     3.2.1 模型尺寸
  •     3.2.2 本构模型和边界条件
  •     3.2.3 渗流参数取值
  •   3.3 计算荷载取值
  •     3.3.1 盾构机和管片参数的取值
  •     3.3.2 注浆量的取值
  •     3.3.3 土仓压力的取值
  •     3.3.4 盾构推进速度的取值
  •     3.3.5 注浆压力的取值
  •   3.4 影响地表沉降的盾构施工因素分析
  •     3.4.1 开挖面支护压力对地表沉降影响
  •     3.4.2 推进速度对地表沉降影响
  •     3.4.3 注浆压力对地表沉降影响
  •     3.4.4 注浆量对地表沉降影响
  •   3.5 基于正交试验的盾构掘进参数优化
  •     3.5.1 正交试验介绍
  •     3.5.2 试验方案计算
  •     3.5.3 正交试验结果分析
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 富水地层盾构施工期流固耦合数值模拟研究
  •   4.1 盾构施工过程的模拟
  •   4.2 初始计算模型求解
  •     4.2.1 初始应力场求解
  •     4.2.2 初始孔压场求解
  •   4.3 流固耦合模拟计算结果分析
  •     4.3.1 位移场分析
  •     4.3.2 渗流场分析
  •     4.3.3 土体应力场分析
  •     4.3.4 土体塑性区分析
  •   4.4 盾构施工引起地表沉降控制措施研究
  •     4.4.1 合理设定土仓压力保持开挖面稳定
  •     4.4.2 盾尾空隙的充填压浆
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 结论与展望
  •   5.1 主要结论
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 鲍飞翔

    导师: 李彦斌

    关键词: 盾构隧道,流固耦合,全过程,地表沉降,正交试验,数值模拟

    来源: 太原理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,铁路运输

    单位: 太原理工大学

    分类号: U231.3;P642.26

    总页数: 89

    文件大小: 4237K

    下载量: 324

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