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1、盾构施工盾尾空隙二次注浆控制地表沉降研究 浙江大学硕士学位论文盾构施工盾尾空隙二次注浆控制地表沉降研究姓名:安妮申请学位级别:硕士专业:海洋建筑物与环境指导教师:孙红月2013-03-03摘要在现代的地铁施工中,盾构施工方法已经得到了广泛的应用。但在施工过程中,地铁建设的施工往往会造成地表变形,影响现有的既有建筑物、市政系统管道等地下设施的正常使用。根据地表沉降的观测曲线可得,沉降过程总共经历五个阶段,分别是先期沉降、开挖面前部下沉、通过时下沉、盾尾造成的下沉、后续下沉。其中第四阶段造成的沉降影响显得十分突出。一般情况下,施工中会采用同步壁后注浆的方式来减小盾尾空隙的存在而引起的地表沉降.实际
2、情况表明,盾尾空隙很难完整的被浆液所充填,因而会导致隧道周边的土体向盾尾空隙方向发生移动,从而造成地层损失,引起地表沉降。因此,为填充盾构施工盾尾空隙所进行的注浆过程需要进行进一步的研究,其对于控制地表沉降的规律也具有极为重要的理论和现实意义。国内外研究人员采用许多研究方法针对盾构施工引起地表变形的规律做了分析,主要有基础的理论计算方法、数值模拟分析法、物理模型试验法三种,然而很多国内外学者将研究重点放在地表沉降的规律研究上。对于填充盾尾空隙的注浆工艺的研究也侧重于同步注浆。本文总结了前人对于盾构施工中注浆技术的研究,由于现代盾构施工中同步注浆的应用十分广泛,且对于地表沉降的控制确实起到了关键
3、作用,但是在实际施工过程中还是会出现注浆不合理导致地面沉降的情况发生,因此二次注浆的应用被提出,并在不少工程中进行推广应用。现有阶段的二次注浆主要是作为一种后期的补救措施,相关研究侧重点在于二次浆液的工艺分析,对于其作用的机理分析较少,因此本文对于壁后二次注浆技术控制地表沉降的应用进行了较为全面的研究分析。在本文中,通过分析注浆技术有效控制地表沉降的机理,并展开了注浆效果的定性物理模型试验,得出了二次注浆施工的必要性和侧重点。因此,重点从二次注浆材料和二次注浆位置对于二次注浆技术展开了研究。最后,本文综合采用有限差分数值分析软件/有限元软件模拟了二次注浆技术的模拟,结合某地铁工程实例的实测数据
4、,验证了模拟结果的合理性。依据此数值模型,得出了不同二次注浆材料、注浆位置、注浆间距对于控制地表沉降的不同效果。本文通过对于盾构施工中注浆技术的研究,提出二次注浆的合理性,并采用了数值模拟进行分析,为实际施工中的注浆提供一定的理论依据。关键词:盾构施工;地表沉降;同步注浆;二次注浆;/. , , 、.: , ,., ,., .,.,:、 .,. ,.,.,? ., , ./. , ., . .; ; ;:?;/致谢毕业在即,在求是园度过了两年半的求学时光后,此时最想感谢的是我的导师一孙红月副教授。不论是学业上的悉心教诲还是生活上的细致关怀,学生满怀感激。此外,衷心感谢课题组的尚岳全教授、赵字老
5、师、吕庆老师等,感谢各位老师在我攻读硕士研究生期间给予我无私的指导和帮助,你们的指导让我科研的路途上充满了动力。对于浙江科技学院的杨建辉教授和浙江省大成建设集团有限公司要表示特别的谢意,感激他们对于论文中的实验所提供的无私支持和帮助,帮助我完成硕士期间的工作。在此对同课题组的各位师兄弟妹一并表示最诚挚的谢意。同时,要特别感谢父母多年的养育之恩,姐姐的不断关怀,他们是我一路上最坚守的观众,他们的关心鼓励让我度过很多低潮,勇敢的面对生活中和学习中各种挑战,是我完成学业过程中的坚强后盾。本文只是抛砖引玉,引用了众多学者的科研成果,学习过程中亦收获颇多。在此对于各位学者表示致谢,引用之处如有不合理之处
6、,还请各位批评指正.安妮于浙江大学求是园.逝延太堂亟堂位论塞缝金绪论.背景世纪以来,全球各城市发展的脚步逐渐加快。城镇人口不断增加,地表建筑也不断增加,但是可利用的地表空间越来越少,于是地下空间的开发成为一种趋势。但是,地下空间中各种市政管线设施较多,如何有效的开发地下空间十分重要。中国不少沿海及主要城市已经开始了大规模开发地下空间的工程建设。准确的说,地下空间的开发包含地下交通系统的开发如地铁工程、地下道路系统、地下停车场,地下公用设施系统的安排如地下城市供排水管道、地下供电和通信电缆通道、地下天然气管道等。地铁建设是世纪以来城市地下空间开发的重点领域。国内北京、广州、上海、深圳、南京、昆明
7、等众多城市地铁已全部或部分通车运营,还有很多城市正在建设过程和筹备过程中。地铁中区间隧道的施工方法主要有:盾构法、新奥法、明挖顺作法、盖挖逆作法等。城市环境中建筑、公用设施和交通管线日趋繁杂,盾构法有巨大的优势,能够同时保证施工安全性和便捷性。此外,由于机械自动化作业,大幅减小了人工劳动强度。同时,对于地面交通与建筑,以及地下管线施工等影响较小。尤其是在特殊软弱地层中的长深隧道施工时具有操作和经济方面的优越性。在地下隧道工程施工中,盾构技术具有其特别的优势。然而,在施工过程中也存在不少的工程问题,由于多方面因素会引起不同程度的地面沉降,而这与盾构机械功能、盾构施工操作过程、施工地层条件等诸多因
8、素相关.由此会造成地面变形、影响已有的建筑物和城市道路,以及地下预埋管道线路的非正常使用甚至破坏。针对这项重大的工程问题,前人已做过多方面的研究,从盾构机的施工方式到其对于地表沉降影响的机理,再到相应的控制地表沉降的措施。但是,由于影响地表沉降的因素众多,针对与盾构法隧道施工和施工过程中控制地表沉降的注浆措施仍有待于开展进一步的研作。.国内外研究现状与成果.盾构机施工对沉降影响的研究现状关于盾构施工的研究,主要有以下几个方面:盾构机自身的研究,如自身掘进方式、管片拼接及受力等。其次是盾构机与周边土体的相互作用,目的是为了研究开挖稳定和控制沉降,如开挖面的支护压力、盾尾注浆情况等。由于控制沉降是
9、本文研究的重点所在,因此主要介绍前人对于盾构施工过程中控制沉降所做的工作及研究进展。目前研究地面沉降的方法主要有理论计算方法、数值分析法、物理模型试验法理论计算方法地面横向沉降预测最常用的计算公式是由【】年根据大量的实际工程地面沉降数据总结提出了经验公式?,.印一嘉矿赢焘。? ?厄一詈扛码式中:,:横断面地表沉降值;圪:单位长度的土层损失量/;堑延太堂亟堂位金塞.缝金巧:地层的体积损失率%,取决于土层性质、隧道埋深深度、超挖情况等因素。:距离隧道中心线的值;趾:地面最大沉降量;:沉降槽的宽度系数,指的是正态分布曲线的反弯点到隧道中心线的距离;:隧道轴线埋深;中:土的内摩擦角。公式将隧道上方的地
10、表沉降曲线用误差函数曲线近似的表达出来,得到了广泛的应用。后人在其理论基础上进行了深一步的研究探索。针对值,不同学者根据不同土质条件等因素对其进行了修正,也有学者提出自己的地表沉降预测公式。详见表.表.学者年份地表沉降槽宽度系数修正公式 考虑因素及适用条件针对值的不同修正公式】 适用于饱和含水塑性去囔粘土中一隧道轴线埋深;尺一隧道半径一隧道轴线埋深;等 】七五”一隧道直径;、刀一与土层参数、逝琶盔堂亟.堂位金塞缝盆地质条件有关的系数可查表 】 伦敦地区,单一土层,气分别为沉降槽宽度参数和隧道轴线埋深等 【 适用于软粘土?,分别为隧道轴线.一/彤一埋深和平面距地表以下深度值是随埋深变化的一个参数
11、姜忻良等】,分别为隧道轴线巾卜/埋深和平面距地表以七一五”下深度璩继立 上海地层,采用数学拟:.合方法其余学者提出的独立的地面沉降预测公式是地表的体积空】隙损失率,是隧道,】【】【疋凳:刍:的埋深针对可压缩土壤删?”,赤抛等着堑琶太堂亟堂位金塞 缝金彳?.一】弘币写厨?一疋十赤丽?【】直 隧道半径】舭科一南卜矧径向应变相对椭圆度地面纵向沉降预测不少学者也做过关于地面沿盾构前进方向即纵向沉降预测的研究,详见表。表纵向地表沉降公式 考虑因素及适用条学者年份件上海地质条件刘建航【】击柠一俘去睁一例 粘土地层条件下击毒俘一俘荆去母堑堑太堂亟主堂僮金塞 缝金是地表的体积空隙损失率,是隧道,】删互吼 :,
12、铲【】的埋深.】 土压平衡盾构施工,趾而呈双曲线型随机介质理论施成华【,和,为地形伍,形伍,】,日伍,表纵向沉降值与隆起值数值分析法由于注浆机理的复杂性和难控制性,运用数值方法进行预测是一种高效便捷,获得广泛应用的研究方法,也在不少实际工程的应用中得到了验证。,【 ,【】首次引入问隙参数的概念,分析了隧道土体的弹性模量、注浆压力等各因素对平面分析结果的影响。,】【】根据多项工程实例,分析现场数据后,提出了一种接近于盾构隧道开挖实际工况的三维弹塑性有限元模拟方法,并提出了一种合理的土体拟合本构模型。并基于之前的三维弹塑性有限元分析结果,模拟得出了盾构隧道开挖顶部土层的竖向位移情况.【运用有限元方
13、法分析了盾构开挖过程中引起地表沉降的各种因素,并进行了敏感性对比。通过比较发现,隧道的埋深因素对地表沉降的影响较大。等通过对比五种经验地表沉降预测公式,并采用三种土体模型弹性模型、摩尔.库伦模型、修正剑桥模型,结合实际施工监测得到的马德里铁路沿线五个不同测点的数据,对比分析了不同方法适用的不同情况。堑匹态芏麴土星僮塞缝论王敏强等【在有限元分析中利用刚度迁移法模拟盾构施工的开挖过程,总结了由于盾构开挖引起的地表变形规律。张云等】根据盾尾出现空洞的情况,将注浆后浆液与土体相互作用的范围以及土体受到扰动的情况统一概化为均匀厚度的圆环形等代层的概念,进行了地表位移对等代层参数的敏感性因素分析。提出在盾
14、构推进时,尽量减小超挖和对周围地层的扰动对于控制地表沉降是必要的。于宁等【】根据盾构隧道施工过程中不同的阶段,采用特殊拟合的有限元法,对于盾构施工引起地表变形以及对临近建筑物基础产生的影响进行了系统分析。河海大学独立开发了三维非线性有限元程序.,张海波等人在此基础上对于盾构施工过程中地层变位进行了三维有限元模拟,得到了合理的沉降分布【。朱伟等并用/有限元软件分析了在砂土地层中土压平衡式盾构施工时开挖面的支护压力不足时造成的开挖面土体变形规律。陈宇等依托上海地铁中双圆盾构区间隧道工程,分析了盾构施工过程中超孔隙水压力的特征,并与实地监测结果进行了对比验证了模拟的合理性。王明年等利用颗粒离散元数值模拟方法,对盾构施工过程中开挖面的破坏问题进行了分析研究。黎春林以无锡地铁号线区间隧道工程为背景,利用有限元数值分析模拟了盾构开挖时引起的超孔隙水压力消散引起的后续固结对地层变形的影响规律。物理模型试验法除了理论分析和数值模拟方法外,物理模型实验法是研究盾构隧道施工的重要方法之一,根据相似理论原理,选择与实际情况相似的材料来设定合理尺寸的物理模型
