盾构近接隧道施工影响研究
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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Peck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Midas-GTS,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Midas-GTS,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。
In this paper, we take the shield tunnel in Suzhou Subway Line No.1 as project background. In consider of reasonable excavation by steps, stress releasing coefficient, shield force and grouting, the security and construction affects of EPB shield tunneling adjacent construction are analyzed, with the purpose of proposing reasonable suggestions on diplopore and parallel shield tunnel construction. The main research contents are as followings:
1. Review the standard of parallel shield tunnel approaching construction, the stability judgment criterion of existing tunnels, the control measures and prediction methods of shield tunnel construction. The prediction formula of the earth surface settlement based on modified Perk-method and stochastic medium theory are introduced respectively.
2. According to the characteristics of shield tunnel, we simplify shield tunnel as the homogeneous cylinder. Then through determining the reasonable shield-jacking force, the releasing coefficient and grouting thickness, the major steps and key links in shield tunnel construction are defined.
3. Using Midas-GTS to carry out 3D numerical analysis of approaching construction of shield tunnel. Study the influence of the under construction tunnels on the existing ones by simulating the process of parallel shield tunnel construction. The rules of earth surface settlement, rock stress, the surrounding rock pressure and internal force distribution of existing tunnels, which are influenced by the stress releasing coefficient and grouting, are revealed.
4. Using Midas-GTS to carry out 2D numerical analysis of approaching construction of shield tunnel. Compare the difference of internal force between the 3D-analysis and 2D-analysis, and explain it.
According to the results of FEM analysis, summarize the rules in the approaching construction of shield tunnels, with the purpose of solving the problems in the course of construction in difficult and special areas.
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Peck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Midas-GTS,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Midas-GTS,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。
In this paper, we take the shield tunnel in Suzhou Subway Line No.1 as project background. In consider of reasonable excavation by steps, stress releasing coefficient, shield force and grouting, the security and construction affects of EPB shield tunneling adjacent construction are analyzed, with the purpose of proposing reasonable suggestions on diplopore and parallel shield tunnel construction. The main research contents are as followings:
1. Review the standard of parallel shield tunnel approaching construction, the stability judgment criterion of existing tunnels, the control measures and prediction methods of shield tunnel construction. The prediction formula of the earth surface settlement based on modified Perk-method and stochastic medium theory are introduced respectively.
2. According to the characteristics of shield tunnel, we simplify shield tunnel as the homogeneous cylinder. Then through determining the reasonable shield-jacking force, the releasing coefficient and grouting thickness, the major steps and key links in shield tunnel construction are defined.
3. Using Midas-GTS to carry out 3D numerical analysis of approaching construction of shield tunnel. Study the influence of the under construction tunnels on the existing ones by simulating the process of parallel shield tunnel construction. The rules of earth surface settlement, rock stress, the surrounding rock pressure and internal force distribution of existing tunnels, which are influenced by the stress releasing coefficient and grouting, are revealed.
4. Using Midas-GTS to carry out 2D numerical analysis of approaching construction of shield tunnel. Compare the difference of internal force between the 3D-analysis and 2D-analysis, and explain it.
According to the results of FEM analysis, summarize the rules in the approaching construction of shield tunnels, with the purpose of solving the problems in the course of construction in difficult and special areas.
引文
[1]姜忻良,贾勇,王涛.近距离平行隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟[J].天津大学学报,2007(7).
[2]钱双彬,董军,陈方权等.既有隧道受邻近盾构施工作用的变形行为研究[J].建筑技术,2009(1).
[3]严长征.盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研究[博士学位论文D].上海：同济大学工学,2007.
[4]郑余朝.三孔并行隧道近接施工的影响度的研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2006.
[5]华科.地铁盾构施工对邻近结构物的影响预测与控制方法[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2005.
[6]龚伦.上下交又隧道近接施工力学原理及对策研究[博士学位论文D].成都：西南交通大学,2008.
[7]林志.双线盾构隧道施工过程相互影响三维弹塑性固结耦合研究[博士学位论文D].上海：同济大学,2004.
[8]白廷辉,尤旭东,李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术[J].地下工程与隧道,2000(3).
[9]陈越峰,张庆贺,张颖等.近距离三线并行盾构隧道施工实测分析[J].地下空间与工程学报,2008(4).
[10]李喆,张子新.相邻隧道施工对上海地铁二号线影响分析.岩石力学与工程学报,2005(8).
[11]林志,朱合华,夏才初.双线盾构隧道施工过程相互影响的数值研究[J].地下空间与工程学报,2009(2).
[12]西南交通大学土木工程学院.深圳地铁一期工程重叠隧道技术研究初步报告.1999,05.
[13]上海隧道工程股份有限公司.叠交隧道盾构掘进模拟实验及数据分析.外滩观光隧道施工技术研究鉴定材料之八,1999.
[14]刘波,陶龙光,丁城刚等.地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用[J].中国矿业大学学报,2006,35(5).
[15]周文波,吴惠明.观光隧道盾构叠交施工技术初探[J].中国市政工程,2002(4).
[16]方勇,河川.平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析[J].岩土力学,2007(7).
[17]胡炜,曾东洋.平行盾构隧道施工地表变位影响因素研究[J].铁道工程学报,2007(3).
[18]陈先国,高波.地铁近距离平行隧道有限元数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9).
[19]黄新民.近距离并行盾构隧道施工期间的相互影响分析[J].铁道建筑设计,2008.
[20]孙宇坤,吴为义,张土乔.管隧平行时地下管线沉降的影响因素分析[J].中国给排水,2008(5).
[21]河川,苏宗贤,曾东洋.盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2007(10).
[22]马紫娟,王李管,刘红兵.土压平衡盾构双线隧道施工引起的地表沉降规律研究[J].石家庄铁道学院学报,2007(12).
[23]杨征,河川,方勇等.平行地铁区间盾构隧道施工相互影响研究[J].中国交通土建工程学术论文集,2006.
[24]方勇,何川.盾构法修建正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影响分析[J].铁道学报,2007(29).
[25]陶连金,孙斌,李晓霖.超近距离双孔并行盾构施工的相互影响分析[J].岩石力学与工程学报,2009(9).
[26]刘庭金,朱合华.近间距平行泥水盾构隧道推进方案三维数值模拟[J].铁道建筑,2007(7).
[27]孙钧,刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报,2002,30(4).
[28]铁道部.铁路隧道设计规范[S].中国铁道出版社.2000.
[29]交通部.公路隧道设计规范[S].人民交通出版社.2004.
[30]建设部.地下铁道设计规范[S].中国计划出版社.2003.
[31]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991.
[32]胡群芳,黄宏伟.盾构下穿越已运营隧道施工监测与技术分析[J].岩土工程学报,2006(28).
[33]徐前卫,朱合化,瘳少明等.软土地层土压平衡盾构法施工的模型试验研究[J].岩土工程学报,2007(29).
[34]李强,曾德顺.盾构施工中垂直交叉隧道变形的三维有限元分析[J].岩土力学,2001(22).
[35]曾晓清.地铁工程双线隧道平行推进的相互作用及施工力学的研究[博士学位论文D].上海：同济大学,1995.
[36]赵旭峰,王春苗,孙景林,孔祥利.盾构近接隧道施工力学行为分析[J].岩土力学,2007(2).
[37]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[博士学位论文D].成都：西南交通大学,2003.
[38]张志强,何川.双线盾构隧道与联络通道复杂结构受力分析[J].铁道学报,2002,24(6).
[39]杨兆辉.盾构隧道近接交叉施工影响的研究[硕士学位论文D].北京：北京交通大学,2009.
[40]宋海滨.双孔平行地铁盾构隧道施工问题研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2008.
[41]闻毓民.两孔平行盾构隧道近接施工的力学行为分析[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2005.
[42]肖中平.地铁盾构隧道施工对环境的影响研究[博士学位论文D].成都：西南交通大学,2007.
[43]周斌.近接盾构隧道力学行为与近接分区研究[硕士学位论文D].西南交通大学,2009.
[44]蔡荣,陆文学.苏州市轨道交通一号线工程盾构选型方案探讨.
[45]宫秀滨,徐永杰,韩静玉.隧道盾构法施工土压力的计算与选择[J].隧道机械与施工技术,2007,26(2).
[46]王涛.盾构隧道施工的环境效应研究[硕士学位论文D].浙江大学,2007.
[47]宋天田,周顺华,徐润泽.盾构隧道盾尾同步注浆机理与注浆参数的确定[J].地下空间与工程学报,2008(4).
[48]姚勇,曾东洋,晏启祥.盾构隧道施工对管片环和地表沉隆变位的影响研究[J].西南科技大学学报,2006,21(6).
[49]张国营,傅国利.盾构法施工过程的有限元模拟[J].岩土工程技术,2007,21 (12).
[50]余涛.地铁盾构隧道施工影响的数值模拟及模型试验研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2008.
[51]Alan Graham Bloodworth, Three-dimensional analysis of tunneling effects on structures to develop design methods Doctor thesis, University of Oxford,2002.
[53]Muir Wood, D., Soil behavior and critical state soil mechanics, Cambridge University Press,1990.
[54]J.P.Carter, J.R.Booker, S.K.Yeung, Cavity expansion in cohesive frictional soils, Geotechnique,1986,36(3).
[55]C. Sagaseta, Analysis of undrained soil deformation due to ground loss, Geotechnique,1987,37(3).
[56]A.Verrujt, J.R.Booker, Surface settlement due to deformation of a tunnel in an elastic half plane, Geotechnique,1996,46(4).
[57]Peck, R.B., Deere, D.U., Moness, J.E., Parler, H.W., and Schmidt, B., Some design considerations in the selection of underground support system, Report for Us Dept of Transportation, Office of Hign Speed Ground Transportation.
[58]Leca, E., Analysis of NATM and shield tunneling in soft ground, D,Phil. Thesis, Virginia Polytechnic Institude and State University,1989.
[59]Addenbrooke, T.I., and Potts, D.M. Twin tunnels construction-ground movements and lining behavior. Int. Symp. On Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, City University, London,15-17, April,1996.
[60]Deere, D.U., Peck, R.B., Monsees,J.E.,& Schmidt, B., Design of tunnel liners and support systems, Report for U.S. Dept of Trans., Office of High speed Groud Trans., Contract No.3-0152,1969.
[61]Kim, S.H., Model testing and analysis of interactions between tunnels in clay, D.Phil. Thesis, University of Oxford,1996.
[2]钱双彬,董军,陈方权等.既有隧道受邻近盾构施工作用的变形行为研究[J].建筑技术,2009(1).
[3]严长征.盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研究[博士学位论文D].上海：同济大学工学,2007.
[4]郑余朝.三孔并行隧道近接施工的影响度的研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2006.
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[7]林志.双线盾构隧道施工过程相互影响三维弹塑性固结耦合研究[博士学位论文D].上海：同济大学,2004.
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[16]方勇,河川.平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析[J].岩土力学,2007(7).
[17]胡炜,曾东洋.平行盾构隧道施工地表变位影响因素研究[J].铁道工程学报,2007(3).
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[20]孙宇坤,吴为义,张土乔.管隧平行时地下管线沉降的影响因素分析[J].中国给排水,2008(5).
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[22]马紫娟,王李管,刘红兵.土压平衡盾构双线隧道施工引起的地表沉降规律研究[J].石家庄铁道学院学报,2007(12).
[23]杨征,河川,方勇等.平行地铁区间盾构隧道施工相互影响研究[J].中国交通土建工程学术论文集,2006.
[24]方勇,何川.盾构法修建正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影响分析[J].铁道学报,2007(29).
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[40]宋海滨.双孔平行地铁盾构隧道施工问题研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2008.
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[42]肖中平.地铁盾构隧道施工对环境的影响研究[博士学位论文D].成都：西南交通大学,2007.
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[44]蔡荣,陆文学.苏州市轨道交通一号线工程盾构选型方案探讨.
[45]宫秀滨,徐永杰,韩静玉.隧道盾构法施工土压力的计算与选择[J].隧道机械与施工技术,2007,26(2).
[46]王涛.盾构隧道施工的环境效应研究[硕士学位论文D].浙江大学,2007.
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[50]余涛.地铁盾构隧道施工影响的数值模拟及模型试验研究[硕士学位论文D].成都：西南交通大学,2008.
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[55]C. Sagaseta, Analysis of undrained soil deformation due to ground loss, Geotechnique,1987,37(3).
[56]A.Verrujt, J.R.Booker, Surface settlement due to deformation of a tunnel in an elastic half plane, Geotechnique,1996,46(4).
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[60]Deere, D.U., Peck, R.B., Monsees,J.E.,& Schmidt, B., Design of tunnel liners and support systems, Report for U.S. Dept of Trans., Office of High speed Groud Trans., Contract No.3-0152,1969.
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