浅覆越江盾构隧道抗浮研究与数值模拟

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针对越江盾构隧道施工中的上浮问题,在已有抗浮理论分析、数值模拟和实验研究的基础上,对浅覆越江盾构隧道抗浮进行了相关理论分析和数值模拟计算,得到一些实用性结论,以期能对越江盾构隧道工程设计和施工实践起指导借鉴作用。完成的主要工作如下:首先,系统归纳和介绍了盾构隧道抗浮理论、数值模拟、实验研究和技术措施的研究现状,探讨了隧道上浮的原因、管片和上覆土的抗浮效应以及满足抗浮要求的最小覆土厚度计算方法。针对土压式平衡盾构隧道,分别从盾构开挖面在挤压力作用下的平衡状态和管片脱离盾尾时受静态上浮力作用的平衡状态着手,得到了满足抗浮要求的最小覆土厚度公式。其次,基于盾构隧道的统一土体移动模型,建立了考虑浆液上浮力影响的两圆顶部相切的土体移动模型,再利用Melan公式在弹性半平面内推导得到盾构施工过程考虑浆液上浮力作用的土体变形公式,将之与土体损失引起的变形叠加,最终得到考虑浆液上浮力影响下管片上浮引起的土体变形二维解。再次,结合在建南昌地铁1号线抚河桥区段盾构隧道工程,应用ABAQUS有限元分析软件,以衬砌管片和周围土体为研究对象,综合考虑盾构开挖工序的动态影响和管片与周围土体的相互作用,重点研究管片上浮影响下地表和深层土体的变形规律。通过对隧道横截面方向的地表土体和距隧道轴线不同距离的深层土体位移曲线分析,得到了浆液上浮力作用下的管片上浮引起的挤土效应:河底表面土体隆起变形呈“倒沉降槽”形;距隧道轴线较近的深层土体水平位移曲线呈“双弓”形;较远处的深层土体水平位移曲线呈“弓”形;考虑浆液上浮力影响下的浅覆越江盾构隧道管片上浮对周围土体的影响范围约为4倍隧道直径。对数值模拟结果,最小覆土厚度公式以及土体变形二维解进行了对比分析,结果表明推导的最小覆土理论厚度,土体变形二维解与数值模拟结果比较吻合。最后,通过对上覆土厚度、地层性质、注浆材料的性质等对河底隆起变形规律的影响因素进行模拟计算,得到考虑浆液上浮力时各因素对地表变形的影响规律,依据变形特点,提出控制河底隆起位移的对策和措施建议。
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