基于3D离散连续耦合方法的盾构始发下穿管线群施工控制参数及加固方案研究

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近年来,随着盾构装备国产化率的提高及配套工艺的日益完善,盾构法在城市地铁区间隧道工程中广泛应用。由于地质条件的复杂性和地中构筑物的相互影响,盾构掘进仍不可避免的会对周围环境产生扰动。对于砂土、卵石土等特殊地层中的隧道,盾构掘进会改变掌子面附件土体的应力状态,进而对一定范围内的土体造成扰动,当隧道埋深较浅且地层土体粘聚力较低时,盾构掘进造成的土层扰动会快速传递致地表,同时也会对地中管线等构筑物造成不利的影响。当土体位移超过一定限值时,会导致邻近结构物发生倾斜或地中管线扭曲等,从而引起一系列环境效应问题。另一方面,盾构隧道的始发与接收往往伴随着超浅埋、开挖面稳定性差等问题,若盾构始发即下穿管线等地中构筑物,优选施工控制参数并采用合理的加固方案对于减小盾构隧道掘进导致的地中管线沉降至关重要。本论文依托成都地铁17号线砂卵石地层盾构隧道始发下穿管线群工程,采用文献检索、理论分析、数值模拟及现场测试等方法,针对盾构隧道始发下穿管线群的施工控制参数及加固方案开展研究,取得的主要结论如下:1.通过采用文献调研和数值模拟相结合的方法,解释了PFC颗粒离散元中颗粒之间运动的传递机理,研究了不同耦合方法在重力作用下的耦合效果,基于模型在自重作用下重力平衡效果评价了各种耦合方法的耦合质量,并提出最优耦合方法。2.通过采用资料调研和理论分析相结合的方法,总结了国内现有主要城市的管线控制标准和控制指标。根据现有规范要求提出了钢制管线轴向附加应力和最大容许沉降变形的计算方法。3.通过采用资料调研和数值模拟相结合的方法,标定了依托工程卵石地层颗粒体的微观接触参数;提出了3D耦合数值模型时间步的测算方法,揭示了掘进控制参数对管线和地表的沉降变化规律,提出了管线群最优加固方案。4.对盾构掘进施工中的控制参数进行了统计分析,证明了采用离散—连续耦合方法模拟盾构机掘进参数的可能性;验证了管线悬吊保护方案的合理性。
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