（岩土工程专业论文）盾构近接隧道施工影响研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l ii i iiiillll y 17 8 0 1 1 111 11 1 1 l 6 5 9 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：p 年6 月矽日签字日期：7 0 o莎月才r l 中图分类号：t u 9 4 u d c ：6 2 4 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 盾构近接隧道施工影响研究 t h ee f f e c t so nt u n n e li ne p bs h i e l da d ja c e n tc o n s t r u c t i n g 作者姓名：马程昊 导师姓名：何平 学位类别：工学 学科专业：岩土工程 学号：0 8 1 2 1 5 1 9 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：隧道与地下工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一 致谢 “饮其流时思其源，成吾学时念吾师 ，在此论文完成之际，谨向我尊敬的 导师何平教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意。本论文是在导师何平教授的悉心指 导下完成的，从论文的选题、具体研究到论文的撰写工作都得到了导师的精心指 导。何平教授渊博的学术知识、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的 帮助和影响。她丰富的实践经验、渊博的专业知识、务实忘我的工作作风、宽以 待人的处事念度更使我受益匪浅。最让我难以忘怀的是攻读硕士研究生学位两年 来，何平教授在生活和思想上给予我的细心关怀与循循善诱的教诲。他精益求精 的工作作风，深深地感染和激励着我，他对学生的理解和宽容常让我心生感动， 在此谨对何平教授寄予我深深的感谢与崇高的敬意。 与此同时，在我研究生阶段学习与完成硕士论文期间，得到了傅洪贤副教授、 崔江余副教授、吕勤副教授的帮助与指导对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此一并表示衷心的感谢。 感谓 师兄施烨辉、师姐卞晓琳博士以及师弟梁英俊、张鹏、赵永正、宋志强、 赵杰等对我的帮助。感谢同窗好友薄帅帅、王富强、张清林、苏钟琴、李慧、曹 茜、饶增、袁杰、肖谊、崔凯、尹文平、李晓伟、刘建荣、李斌、朱海涛以及所 有的好友，谢谢你们陪伴我度过了人生当中最美好的两年时光，谢谢你们在我人 生曾有的低潮时刻给予的理解与鼓励，谢谢你们给我的两年人生旅程浓墨重彩地 增添了欢乐与活力! 感谢我的父母亲一如继往对我的默默支持与无私奉献，给我带来了无限的幸 福与支持、关心与帮助，使我能够专心地完成学业。 感谢所有关心和帮助过我的亲人、老师和朋友! 最后，感谢各位专家、教授在百忙之中对本论文的评阅和指正! 一 一 中文摘要 中文摘要 摘要：本文以苏州地铁一号线盾构隧道平行近接为工程背景，在确定了合理 的分步开挖步骤并充分考虑了应力释放系数，盾构推顶力及盾尾注浆加固影响的 基础上，对盾构近接隧道施工的影响与安全性进行了分析与研究，旨在对双孔平 行盾构隧道施工提出合理的建议和一定的指导。 主要研究内容和研究方法： 1 综述了盾构隧道平行近接施工的划定标准，近接影响的判断准则，既有隧道安 全性的判断标准，盾构近接施工的控制措施和近接影响的预测方法；并分别介 绍了应用修正p e c k 法和随机介质理论法对近距离双孔平行隧道施工的地表沉 降预测的公式推导。 2 针对盾构隧道结构的特点，将盾构隧道简化为均质圆筒。确定了合理的盾构推 顶力、应力释放系数和注浆等代层厚度。分析研究盾构隧道施工的主要过程， 研究确定进行盾构隧道施工三维有限元数值模拟分析的主要步骤与重点环节。 运用有限元分析软件m i d a s g t s ，采用三维有限元方法，对盾构隧道近接施工 的力学行为进行仿真模拟。通过模拟近接平行盾构隧道施工过程，分析其规律 性，主要分析由于新建隧道的施工对既有隧道所产生的影响。探讨和揭示了隧 道净距、施工顺序与空间间隔、盾构顶推力、应力释放系数、注浆情况等因素 作用下盾构隧道近接平行施工所引起的地表位移、围岩应力、已建隧道的变形 和内力分布变化的影响规律。 3 运用有限元分析软件m i d a s g t s ，采用二维有限元方法，对盾构隧道近接施工 的力学行为进行仿真模拟。主要分析二维有限元计算结果和三维有限元计算结 果的内力差异，并分析产生差异的原因。 本文研究了近接盾构隧道施工的相关规律，以期解决施工期间盾构隧道通过 特殊和困难地区时的控制技术，希望对以后类似条件下的施工提供一定的借鉴与 参考。 关键词：盾构隧道；近接施工；平行；影响预测 分类号：t u 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , w et a k et h es h i e l dt u n n e li ns u z h o us u b w a yl i n en o 1a s p r o j e c tb a c k g r o u n d i nc o n s i d e ro fr e a s o n a b l ee x c a v a t i o nb ys t e p s ，s t r e s sr e l e a s i n g c o e f f i c i e n t ，s h i e l df o r c ea n dg r o u t i n g ，t h es e c u r i t ya n dc o n s t r u c t i o na f f e c t so fe p b s h i e l dt u n n e l i n ga d j a c e n tc o n s t r u c t i o na r ea n a l y z e d ，w i t ht h ep u r p o s eo fp r o p o s i n g r e a s o n a b l es u g g e s t i o n so nd i p l o p o r ea n dp a r a l l e ls h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 r e v i e wt h es t a n d a r do fp a r a l l e ls h i e l dt u n n e l a p p r o a c h i n gc o n s t r u c t i o n ，t h e s t a b i l i t yj u d g m e n tc r i t e r i o no fe x i s t i n gt u n n e l s ，t h ec o n t r o lm e a s u r e sa n dp r e d i c t i o n m e t h o d so fs h i e l dt t m n e lc o n s t r u c t i o n t h ep r e d i c t i o nf o r m u l ao ft h ee a r t hs u r f a c e s e t t l e m e n tb a s e do nm o d i f i e dp e r k m e t h o da n ds t o c h a s t i cm e d i u mt h e o r ya r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h i e l dt u n n e l ，w es i m p l i f ys h i e l dt u n n e la st h e h o m o g e n e o u sc y l i n d e r t h e nt h r o u g hd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l es h i e l d - ja c k i n gf o r c e ， t h er e l e a s i n gc o e f f i c i e n ta n dg r o u t i n gt h i c k n e s s ，t h em a j o rs t e p sa n dk e yl i n k si ns h i e l d t t l n n e lc o n s t r u c t i o na r ed e f i n e d 3 u s i n gm i d a s g t s t o c a r r yo u t 3 dn u m e r i c a la n a l y s i so fa p p r o a c h i n g c o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h eu n d e rc o n s t r u c t i o nt u n n e l so n t h ee x i s t i n go n e sb ys i m u l m i n gt h ep r o c e s so fp a r a l l e ls h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n t h e r u l e so fe a r t hs u r f a c es e t t l e m e n t , r o c ks t r e s s ，t h es u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ea n di n t e r n a l f o r c ed i s t r i b u t i o no fe x i s t i n gt u n n e l s ，w h i c ha r ei n f l u e n c e db yt h es t r e s sr e l e a s i n g c o e f f i c i e n ta n dg r o u t i n g , a r er e v e a l e d 4 u s i n gm i d a s - g t s t o c a r r yo u t2 dn u m e r i c a la n a l y s i s o fa p p r o a c h i n g c o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l c o m p a r et h ed i f f e r e n c eo fi n t e r n a lf o r c eb e t w e e nt h e 3 d - a n a l y s i sa n d2 d a n a l y s i s ，a n de x p l a i ni t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff e ma n a l y s i s ，s u m m a r i z et h er u l e si nt h ea p p r o a c h i n g c o n s t r u c t i o no fs h i e l dt u n n e l s ，w i t ht h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h ep r o b l e m si nt h ec o u r s eo f c o n s t r u c t i o ni nd i f f i c u l ta n ds p e c i a la r e a s k e y w o r d s ：s h i e l dt u n n e l ；a p p r o a c h i n gc o n s t r u c t i o n ；p a r a l l e l ；p r e d i c t i o no fi m p a c t c i 。a s s n o ：t i l 9 4 l 目录 中文摘要v 6 l 】j ；s t r a c t v i i l 绪 仑1 1 1 前言1 1 2近接程度的判断3 1 2 1 近接施工的划定标准3 1 2 2 近接影响的判别准则4 1 2 3 既有隧道安全性判断标准4 1 2 4 盾构近接隧道施工的控制措施5 1 3近接影响的预测方法5 1 4目前存在的问题15 1 5本文的研究目的与研究内容1 6 1 5 1 研究目的16 1 5 2 研究内容16 2盾构隧道近接平行施工影响的数值模拟1 9 2 1工程概况与地质特征1 9 2 1 1 工程概况1 9 2 1 2 地质特征与水文条件2 0 2 2 计算理论及有限元软模拟方法2 2 2 2 1 有关假定和计算前提2 2 2 2 2 模型参数2 3 2 2 3 主要计算步骤2 5 2 3数值模拟的分析工况2 6 2 4本章小结2 7 3单盾构隧道施工过程三维数值模拟结果分析2 9 3 1施工过程分析2 9 3 1 1 地表位移分析2 9 3 1 2 围岩应力分析3 2 3 1 3 管片变形分析3 5 3 1 4 管片受力分析3 8 3 2盾构推进力的影响分析3 9 北京交通大学硕士学位论文 3 2 1 地表位移分析3 9 3 2 2 围岩应力分析4 0 3 2 3 管片变形分析4 l 3 。2 4 管片受力分析4 2 3 3应力释放系数的影响分析：4 5 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 3 4 3 4注浆情况的影响分析5 2 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 3 5本章小结5 8 4盾构隧道近接平行施工三维数值模拟结果分析6 1 4 1实际工况施工过程分析6 1 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 1 4 4 2近接距离的影响效应分析7 6 4 2 1 4 2 2 4 2 3 4 2 4 4 3施工顺序与空间间隔影响效应分析8 5 4 3 1 4 3 2 4 3 3 4 3 4 4 4盾构推进力的影响效应分析9 4 4 4 1 地表位移分析9 4 4 4 2 围岩应力分析9 5 钙铂钾的 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ： 一 一 一 一 一 析析析析 分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 记 弱 舛 钙 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 1 4 7 1 6 6 6 7 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 6 8 9 1 7 7 7 8 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 5 7 8 0 8 8 8 9 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 4 4 3 管片变形分析9 6 4 4 4 管片受力分析9 7 4 5应力释放系数的影响效应分析：1 0 1 4 5 1 4 5 2 4 5 3 4 5 4 4 6注浆情况的影响分析11i 4 6 1 4 6 2 4 6 3 4 6 4 4 7本章小结11 9 5盾构隧道近接平行施工二维数值模拟结果分析12 1 5 1轴力对比分析1 2 1 5 2弯矩对比分析12 2 5 3本章小结1 2 3 6结论与展望1 2 5 6 1 结论1 2 5 6 2展望：1 2 7 参考文献1 2 9 作者简历13 3 独创性声明1 3 5 学位论文数据集13 7 l 3 4 6 o o o o，l，l，i，l 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 1 2 3 5ti，lil，l，l-1，l 析析析析分分分分移力形力位应变受表岩片片地围管管 绪论 1 绪论 1 1前言 随着城市地下轨道交通的不断发展与完善，地铁与地铁以及其它地下工程相 邻、相遇、相交的机率大大增加，带来了大量近接施工相互影响的问题。近年来， 国内外已经建成了为数不多的类似情况的设计施工实例。例如英国伦敦滑铁卢地 铁车站多通道工程，如图1 1 ；f 1 本京都四条近间距平行施工的盾构法地铁隧道， 隧道间最小距离仅0 6 米，如图1 2 ；新加坡高速公路交通系统中的四孔平行盾构 隧道穿越回填土和海相勃土冲积层，如图1 3 ；盾构法施工被喻为“三龙过江”的 上海外滩观光隧道与地铁2 号线在黄浦江下相互斜交，最小净距1 5 7 米，明珠二 期穿越地铁二号线下部仅1 4 米，如图1 4 。 近接隧道施工引起的地层移动对已建盾构隧道管片结构的功能损害和安全威 胁已引起学术界和工程界的广泛关注和重视，从工程学科理论与实践的角度出发， 如何在隧道施工过程中有效地预测和控制地层变位以保护既有结构的安全，已成 为城市地铁工程建设中必须解决的一项重要课题1 2 j 。 针对苏州地铁一号线的修建，本文在于依托此项目工程实际，通过数值模拟 分析计算，研究新建隧道与既有隧道施工过程中的相互作用机理，分析各方面的 影响因素，进而在新建隧道与既有隧道的安全施工之间建立联系，希望为以后类 似条件下的盾构隧道工程施工提供一定的参考和帮助。 图1 1 英国伦敦滑铁卢地铁车站多通道工程 北京交通大学硕士学文论文 图1 2 日本京都地铁某区间四条盾构隧道近距离施 下行 7 “ l ，二，* 。oi 图1 3 新加坡四孔盾构隧道示意图 w e s t 幻缱醐 s ! b o u a d 图l _ 4 上海外滩观光隧道与地铁2 号线在黄浦江下相互斜交示意图 2 矿；，l，； h 1 2 近接程度的判断 1 2 1近接施工的划定标准 隧道间距是指近距离施工两隧道间的最小净距( 衬砌外缘之间的距离) ，它是 影响盾构近距离施工扰动程度的主要参数之一，习惯上用d ( 单位：m ) 表示。当 d 一+ 时，两隧道i 日j 无影响，随着d 的减小，两隧道问的影响逐渐增大，当d 减 小到一定程度，隧道施工对已建隧道存在不可忽略的影响时，就可认为是近距离 施工( 或称为临近施工、近接施工) 3 1 。 如图2 1 所示，目前基本上从隧道中心点起画两条4 5 0 线，将相互影响范围分 成3 个区域来考虑，即：无影响范围、要注意范围和限制范围。 ( a ) 左、右两侧 ( b ) 上、+ f 两侧 图示所表示的“间隔”，是指隧道衬砌夕t - n n 另一隧道衬砌的最小距离。相互影响判定时采用 d 是隧道外径。 图1 5 近接程度的划分 表1 1 隧道平行邻近度的划分 两座隧道的位置关系隧道间隔邻近度的划分 2 5d无影响范围 2 5d 无影响范围 北京交通大学硕士学文论文 1 2 2近接影响的判别准则 判别准则可从地层和结构两大方面考虑，分为五个基本型，其选择应根据近 接类型而定。仇文革的论文系统描述了以下判别准则：见表1 - 2 4 1 。 表1 - 2 分区分度判别准则表 判别准则人类笋0 另0 准! l ! i j 基本亚4 1 、麻力步0 j ；0 准贝i i 、地层判别准则2 、塑性【x 步0 另0 准则 3 、位移判别准则 4 、强度判别准则 i i 、既有结构判别准则 5 、冈0 度半0 另0 准贝u i 、复合判别准则6 、1 - 5 的组合运用 1 2 3既有隧道安全性判断标准 进行相互影响预测或进行相互影响的安全监控时，应根据结构物稳定、建筑 限界的要求等设定容许值，确保既有隧道衬砌结构的安全。从结构物稳定出发， 新建隧道对既有隧道的影响以安全系数符合铁路隧道设计规范要求为基准， 控制指标应满足下列规定【5 】： 隧道结构绝对沉降量及水平位移量 1 5 0 0 0 m ； 隧道的相对变曲 1 2 5 0 0 ( 在地铁区间隧道上方实施大面积的加卸载工程中， 该指标是极其关键的一个指导性技术指标) ； 由于建筑物垂直荷载( 包括基础地下室) 及降水、注浆等施工因素而引起 的隧道外壁附加荷载 2 0 k p a ( 5 0 b 注：b 一隧道开挖断面的宽度 在实际的工程设计和施工中，己大大突破了规范的限制，因此规范已远远滞 后于工程实践的发展，而理论研究也落后于规范修订的要求。从现行的国外设计 规范和指南来看，也由于存在着固有的缺陷，不能照抄招搬。因此，造成目前的 状况是遇到这类工程时要么采取过于保守的对策，造成很大的浪费，要么采取过 于冒险或盲目的对策，造成安全问题。 北京交通大学硕士学文论文 在获知了地层的沉降值或位移值分布以后，如何评价近接既有结构物的安全 状态，也是隧道施工过程中一个难度较大且亟待解决的现实问题。因此，必须研 究既有结构物的评价指标和方法。但目i j 这方面的研究还很不成熟，没有相应的 技术标准和规范可供利用，目前通常的做法是事先给出对周围环境特别是地表沉 降和对既有结构的最小的控制标准，那么在施工的过程中只要实现这个施工目标 就可以确保近接既有结构及工程环境的安全。目前，在设计施工技术文件中给出 的地表沉降主要是根据专家意见或经验笼统地确定的( 譬如，地表最大沉降为 3 0 m m ，最大隆起量为l o m m ) 。实际上不同的环境条件和工程条件这个值是不一样 的，即使在相同条件下，对不同既有结构的影响也是不+ 样的，实际工程实践也 证实了这一点。因此，深入开展隧道施工对周围环境的影响以及地表沉降的控制 基准研究无疑是非常重要的。 针对目前的工程实际，近接隧道平行施工的相互影响与安全控制是亟待解决 的难题之一。如何确定近接平行隧道施工的安全距离，确保工程施工的安全掘进 与原有隧道或建筑结构物的正常使用，以及近接隧道平行施工时应当采取的工程 应用措施，仍需我们做进一步的理论探计与实践研究【7 】。 1 5 本文的研究目的与研究内容 1 5 1研究目的 本文研究目的旨在以苏州地铁一号线土压平衡盾构隧道近接平行施工为背景， 通过数值模拟计算分析，探讨和揭示了隧道净距、施工顺序与空间间隔、顶推力、 应力释放系数、注浆情况等因素作用下盾构隧道近接平行施工所引起的围岩位移、 围岩应力、已建隧道的变形和内力分布变化的影响规律，得出盾构隧道近接平行 施工的一般规律，为以后类似条件下的隧道工程施工提供一定的参考。 1 5 2研究内容 本文将要进行的主要工作包括： ( 1 ) 全面分析盾构法隧道施工的工作机理，对现有方法在模拟盾构施工诸方 面存在的不足之处加以改进，建立能够更加全面合理地模拟盾构施工过程中各种 影响因素( 包括围岩应力释放、刀盘超挖间隙、盾构开挖面顶推力、盾尾注浆及 其凝固等) 影响的三维有限元模型。 ( 2 ) 建立盾构施工三维有限元模拟模型，对单盾构隧道施工进行较为合理准 绪论 确地计算分析。通过提取有限元软件分析的结果，对单地铁盾构隧道施工所引起 的围岩位移、围岩应力、已建隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、 横向附加轴力和弯矩进行了深入研究。 ( 3 ) 模拟盾构近接平行隧道施工的相互影响，探讨和揭示了隧道净距、施工 顺序与空间间隔、顶推力、应力释放系数、注浆情况等因素作用下盾构隧道近接 平行施工所引起的围岩位移、围岩应力、已建隧道的变形和内力分伽变化的影响 规律，对新建隧道与既有隧道的安全性进行评估，为今后类似工程实践提供参考。 1 7 苏州市轨道交通一号线位于苏州城区的东西轴向，总投资约为1 2 6 亿元，预 计于2 0 1 2 年全面竣工并投入试运营。线路西起于吴中区木渎镇北侧天平山东麓的 灵天路，沿竹园路东行进入苏州国家高新技术开发区后，往北转入长江路，经苏 州乐园，东折进入邓尉路，沿邓尉路东行，穿过京杭大运河，进入金阊区，沿干 将路东行，进入苏州工业园区，至钟南街站，线路全长约2 5 7 3 9 k m ，全线设站2 4 座，均为地下车站，其中换乘站4 个，平均站间距1 1 6 k m 。一号线一期工程盾构 隧道区间白玉山公园丌始止于南旌街站，包括1 7 个地下区间，双线区l 、日j 全长3 l k m 。 苏州市轨道交通线具体规划如图2 1 所示。 图2 - 1 苏州市轨道交通线网图 线路平面有2 处3 5 0 m 和2 处4 0 0 m 的小半径曲线，其余的曲线半径均大于 4 0 0 m 。线路纵断面坡度不超过3 0 。隧道上覆土层厚度最大2 9 3 m ，最下8 1 m ， 属中等浅埋区间。盾构重量3 8 5 t ，刀盘直径6 3 4 m ，总推进力3 1 6 5 0 k n ，盾构机的 1 9 北京交通大学硕士学文论文 长度7 9 4 5 m ，盾构隧道结构采用装配式c 5 0 钢筋混凝土管片衬砌，盾构管片外径 6 2 m ，管片内径5 5 m ，厚0 3 5 m ，管片环宽1 2 m ，每环管片分6 块：l 块封顶块 ( 2 2 5 0 ) 、3 块标准块( 6 7 5 0 ) 和2 块邻接块( 6 7 5 0 ) 。采用错缝拼装。管片之间 采用螺栓连接，螺栓孔采用可更换的遇水膨胀橡胶密封圈来加强防水。管片抗渗 等级采用s 1 0 ，隧道上半部拱顶4 5 0 范围做嵌缝密封。盾尾空隙回填灌浆，控制地 面沉降。 图2 - 2 管片拼装形式 图2 - 3 管片整环构造 2 1 2地质特征与水文条件 2 1 2 1 地形地貌 本区地貌成因和形态类型是在印支一燕山运动所奠定的基底构造格局基础上， 经受各种内、外力营力的长期作用而塑造成的。大体上自西南向东北方向呈阶梯 盾构隧道近接平行施工影响的数值模拟 状逐级跌落，故而在现代地貌形态类型上，西南部与东北部形成了两个截然不同 的地貌单元。西南部基岩抬升广泛，出露地表，发育较多的基岩山体，表现为构 造一剥蚀地形；而东北部则因持续下降，长期接受第四系