地铁工程双护盾TBM施工地层稳定性及支护结构受力机理研究.pdf地铁工程双护盾TBM施工地层稳定性及

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详细说明：地铁工程双护盾TBM施工地层稳定性及支护结构受力机理研究西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文本学位论文属于 1.保密囗,在年解密后适用本授权书; 2.不保密团,使用本授权书。 (请在以上方框内打v) 学位论文作者签名: 关海推导老名子强日期:2017,s 日期:207,s/ 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下论文以地铁工程双护盾TBM施工掘进参数对围岩稳定性影响和不同支护方式与围岩相互作用机理为主要研究内容,通过资料调研、理论分析、数值模拟和现场测试等方法和手段,得出以下成果: (1)基于最小安全系数法,采用离散元方法,提出了掘进参数对围岩稳定性影响的分析方法。 (2)采用数值模拟和理论分析等方法,得出不同围岩条件下,支护方式与围岩的相互作用关系,并利用基于不同屈服准则的围岩屈服接近度函数,确定不同支护方式下开挖对围岩的损伤程度。 3)对TBM通过特殊地层地段展开研究,提出了双护盾TBM通过断层破碎带和下穿建筑物段的施工技术措施。本论文的研究成果可为地铁工程双护盾TBM施工或类似工程提供参考,具有一定的工程实际意义。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名吴连日期:27S 西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要双护盾TBM施工方法一般在深埋长大隧洞施工中具有较大的优势,在地铁工程施工中可供参考的工程实例较少。同时,由于地铁工程施工的复杂性与重要性,应严格控制掘进过程中对围岩的扰动范围,避免对地表建筑物造成影响。因此,论文针对地铁工程中双护盾TBM施工特点,通过资料调研、理论分析及数值模拟等手段,开展双护盾TBM施工掘进参数对围岩稳定性影响和不同支护方式与围岩相互作用机理的研究,主要研究内容及取得成果如下 (1)结合工程实际,对中风化和强风化花岗岩围岩条件下,不同掘进参数对围岩稳定性影响进行数值模拟分析,基于最小安全系数法,提出采用离散元PC技术研究双护盾TBM施工掘进参数对围岩稳定性影响的方法,结合现场声波测试,得出了不同掘进参数下不同围岩的扰动范围及地表沉降。 (2)通过对不同支护方式与围岩的相互作用机理进行数值模拟分析,得出针对不同围岩条件下合理的支护方式,结果表明中风化围岩条件下,隧道开挖后不采取任何支护措施,围岩就能够自稳,支护结构安全系数较大 (3)利用数值模拟得到的数据,研究不同围岩条件下,不同支护方式基于不同屈服准则的围岩屈服接近度函数,结果表明,强风化围岩条件下,开挖对拱腰处围岩影响较大,应对该部位支护措施进行加强。 (4)针对地铁工程双护盾TBM穿越特殊地层地段施工方法进行研究,提出双护盾TBM通过断层破碎带和既有建筑物的施工处理措施。关键词:地铁;双护盾TBM;屈服接近度;数值模拟;现场测试西南交通大学硕士研究生学位论文第页 Abstract TBM construction method in deeply buried long tunnels has great advantages. There are less engineering project that can be referenced in subway engineering. Because the weak ground adaptability of TBM and the complexity and importance of the subway engineering. To avoid the damage to the building on the ground, the Surrounding rock disturbance range should be controlled in construction. So, aimed construction characteristics of TBM in subway engineering. through data survey, theoretical analysis, numerical simulation method, research on the influence of tunneling parameters on surrounding rock stability and the interaction mechanism of different supporting methods and surrounding rock. The main contents and conclusions are as follows (1)Combined with the actual situation of the project, the influence of different tunneling parameters on surrounding rock stability was analyzed by numerical simulation method under the condition of the intermediary weathered granite and strong weathered granite. The loose circle of surrounding rock under different tunneling parameters could be gained by minimum safety factor method, and the results are consistent with the field test results (2)The interaction between three support method and surrounding rock were analyzed y numerical simulation method. The reasonable support method was gained for different surrounding rock conditions. The shotcrete-bolt support could meet the requirement under the condition of intermediary weathered granite (3)The yielding approach index of surrounding rock could be gained by the data gained by numerical simulation under different surrounding rock conditions and different support methods The results showed that shotcrete-bolt support and formworking concrete lining can better ensure the stability of surrounding rock under the condition of strong weathered granite (4)studied on the construction method through special formation and section subway engineering, the construction method that TBM through the fault zone and the existing building was put forward finally Key words: Subway; Double-shield TBM; yielding approach index; Numerical simulation; Field test 西南交通大学硕士研究生学位论文第1|页目录第一章绪论. 11研究背景及意义 12围岩稳定性分析方法研究现状 1.21解析法 ·非自。非非非音非看身非 1.22数值分析法 23关键块体理论… 13支护结构与围岩相互作用机理研究现状 22333 3.1围岩压力确定方法现状. 1.3.2隧道支护理论与技术研究现状 14工程概况 1.5本文主要研究内容与方法 1.51主要研宄内容 1.5.,2研究方法第二章双护盾TM掘进参数对围岩稳定性影响分析 55577 21基于最小安全系数法的围岩稳定性分析方法 2.2颗粒离散元理论及计算参数的标定 8 2.21颗粒流模拟基本理论 8 222围岩细观计算参数标定方法 2,23围岩参数选取及微观参数结果 10 23三维离散元数值模型 11 231数值模拟思路及方法 s曲。。。··。·看请晋 2.32三维离散元模型建立与边界条件设置 233测点布置与工况设置 12 24TBM掘进参数对不同围岩条件的稳定性影响 4 24.1TBM掘进参数对中风化围岩稳定性影响… 14 242TBM掘进参数对强风化围岩稳定性影响 16 2.5TBM掘进对围岩扰动范围现场测试分析 19 2.51围岩松动圈测试技术 19 2.52声波测试法的测试原理 2 253现场测试方案 20 2.54检测结果及分析 …22 26小结卓鲁●辛是音·是自是·····,一 26 第三章地铁工程不同支护结构与围岩相互作用机理研究 27 西南交通大学硕士研究生学位论文第ⅣV页 31基于不同屈服准则的屈服接近度函数鲁。自音曲自.。··有音·自。音 27 311屈服条件与屈服面的定义 27 3.12屈服接近度函数的建立 29 32不同支护方式下围岩受力特征数值模拟.33 3.2.1数值分析模型建立 33 3.2.2本构模型及计算参数选取 34 323支护结构安全控制标准 35 324测点布置与工况设置自“非总自4。。·自。··b自自;西着喜面是 35 33不同支护方式与围岩相互作用分析 37 3.31不同支护方式与中风化围岩相互作用分析…37 3.32不同支护方式与强风化围岩相互作用分析 47 34衬砌荷载分布 53 341衬砌荷载结构荷载计算方法 53 3.42中风化围岩衬砌结构荷载分析 34.3强风化围岩衬砌结构荷载分析 59 35小结 64 第四章双护盾TBM通过特殊地层地段施工控制技术研究. 4.1双护盾TBM通过断层破碎带施工控制措施…65 4.1.1双护盾TBM通过断层破碎带施工处理措施 .。是.4话b‘西4t命;如· 41.2双护盾TBM通过断层破碎带卡机处理措施 …67 4.2双护盾TBM通过下穿建筑物段施工控制措施 67 42.1双护盾TBM施工引起地表位移的原因及影响范围的确定 42.,2双护盾TBM下穿建筑物施工控制措施 69 4.3双护盾TBM通过特殊地层地段数值模拟分析 7 4.3.1双护盾TBM通过断层破碎带数值模拟分析 4.3.2TBM下穿过街天桥数值模拟分析 44小结 …76 第五章结论与展望 77 致谢 78 参考文蘇攻读学位期间发表的论文及科研成果 84 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第一章绪论 1.1研究背景及意义近年来,随着城市化建设步伐的加快,城市人口不断增加,中心城市不断向周边辐射。为加快经济发展,减轻地面交通压力,提高居民出行效率,城市轨道交通工程因其众多突出优势,在我国各大城市得到大力发展,已逐渐成为城市公共交通的骨干截止至2016年底,我国共有30座城市的133条轨道交通线路开通运营,合计运营里程达到41528公里(不包含有轨电车3741公里),正在建设或已经规划轨道交通的城市58个,规划线路总长达7305.3公里。随着城市经济实力的增强,符合国家建设轨道交通标准的城市会越来越多,预计到2020年中国轨道交通运营里程将超过6000公里。显然,中国已成为世界上规模最大、发展最快的轨道交通建设市场目前,TBM施工技术已在国外长大隧道施工中得到广泛应用,如英法海峡隧道丹麦大海峡隧道、莱索托隧道、美国纽约地铁等。在我国TBM使用相对较少,主要用于长大铁路隧道及水工隧洞,如:西康线秦岭特长隧道、西南线磨沟岭及桃花铺一号隧道、南疆线中天山特长隧道、兰渝线西秦泰岭特长隧道、新疆八一达坂输水隧道、辽宁大伙房引水隧洞、四川锦屏引水隧洞、陕西引汉济渭引水隧洞等口;在城市轨道交通领域,重庆地铁六号线首次应用敞开式和单护盾TBM2。随着技术的不断进步,TBM 施工技术的优越性越来越明显,除了城市轨道交通工程区间隧道可采用双护盾TBM施工外,双护盾TBM还可以应用于其他市政工程隧道、海底隧道、市政管网隧道的建设, 可全面提升地下工程建设的总体水平B35 双护盾TBM施工方法一般在深埋长大隧洞施工中有较大的优势,但在城市轨道交通地下工程施工中可供参考的工程实例较少。双护盾TBM的掘进进度主要取决于地层条件和掘进参数的选择,同时鉴于城市轨道交通工程施工的复杂性与重要性,应严格控制掘进过程中对围岩的扰动范围,避免对地表建筑物造成影响。因此,在城市轨道交通隧道工程中分析掘进参数对围岩扰动范围的影响和不同地层条件下围岩与支护结构的相互作用关系对隧道结构和施工安全十分重要。 12围岩稳定性分析方法研究现状隧道围岩的稳定性问题主要是复杂的非线性力学问题,有非均匀性、非连续性变形和大位移等特点。影响围岩稳定性的因素主要是天然地质条件和工程因素,天然地质条件包括初始地应力场、地质构造、地下水和围岩结构,工程因素有隧道的位置和走向、隧道间的相对位置关系、隧道的尺寸、形状、开挖方式、支护方式等多种因素。隧道围岩稳定性评价方法主要有定性评价、定量评价和可靠性评价等几类评价方法。目前,工程中常用的隧道围岩稳定性定量评价方法主要有解析法、数值分析法和西南交通大学硕士研究生学位论文第2页关键块体理论法 1.2.1解析法解析法是在进行围岩稳定性分析时,通过对地质原型进行高度抽象,获得简单的计算模型,应用数学力学工具对围岩中的应力状态进行求解。解析法常用于圆形隧道的求解,隧道为非圆形时,需要通过保角变换将单位圆外域映射到隧道洞室外域进行计算80。张悼元教授、王士天教授等介绍了含单一软弱结构面稳定以及项拱围岩中简单块体稳定性分析解析计算方法。林银飞、郑颖人叫将弹塑性分析方法与有限厚条法和半解析元法结合在一起提出了弹塑性有限厚条法。孙钧及朱合华(199)等对掌子面附近隧道三维空间效应作了大量的数值模拟和现场实测研究工作8,得出在掌子面之后距其大约2~3倍洞径的范围内,围岩体变形和应力重新分布都将受到掌子面的制约。孙钧在日本西原模型的基础上得到西原模型在隧道围岩支护中的有限元解, 并针对层状节理围岩和软弱断层破碎带围岩提出了四元件的粘弹塑性模型和两个 Bingham串联模型113日本学者 Kawamoto、国内学者孙钧、李术才等采用损伤力学方法得到加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程,并以此来评价此类岩体的稳定性和变形行为14:1 12,2数值分析法在围岩稳定分析中,解析法只能适用于边界条件较为简单和介质特性不复杂的情况,大多数的工程课题在特定的条件下不能使用解析法求解10。随着数学、力学理论的完善和计算机技术的发展,数值分析方法在解决复杂介质、复杂边界条件下的各类工程问题中得到广泛应用2。日前,工程计算中常用的数值分析方法有有限元法、有限差分法、离散元、边界元、块体弹簧法等232 有限元法是目前应用最广的数值分析方法,适用于处理连续小变形分析,可以用来处理弹性、弹塑性、黏弹性、黏塑性等问题。有限差分法将流体力学中追踪流体运动的拉格朗日方法应用于解决岩石力学问题,适用于节理岩体的分析计算12, ITASCA公司于1986年开发出基于有限差分的快速拉格朗日法软件FLAC,FLAC采用 Wilkins显式差分方法,在求解大变形等岩土工程中得到广泛应用离散元法是 Cundall pa于20世纪70年代提出的231,并为了研究颗粒单元介质力学行为,于1978年开发出圆形ba的二维程序,结果显示与 Drescher等用光弹技术计算的结果非常一致,证明了离散元方法的理论可靠性和离散元计算机模拟的可操作性03。 Cundall Pa.提出的UDEC( Universal Discrete Element Code)现已广泛应用到节理岩石在采矿、爆破、地震等过程中的分析B2。1988年, Cundallp.A提出了三维离散单元法的计算方法,美国 ITASCA公司开发出PFC2D和PFC3D软件,该软件可以模拟任何一种岩体材料都可以引入到模型中,例如弹性、粘弹性或断裂等,可以有效

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