【博士】地鐵隧道非降水法施工引起的地表沉降的研究【2006】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2006年　　地面沉降是區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣和防治難度大等特點(diǎn)。地面沉降主要由開(kāi)采地下水資源，工程基礎(chǔ)施工及地下空間的開(kāi)發(fā)利用引起?！　〕鞘械罔F暗挖隧道工程是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，無(wú)論其埋深大小，開(kāi)挖施工將不可避免地會(huì)擾動(dòng)地下巖土體。使其失去原有的平衡狀態(tài)，而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化．在此過(guò)程中，隧道丌挖使圍巖產(chǎn)生卸荷臨空面引發(fā)收斂變形，進(jìn)而造成地表下沉：同時(shí)，擾動(dòng)及地下水的流失會(huì)使土體重新固結(jié)，引起整個(gè)地層的固結(jié)沉降。這一系列的沉降變形發(fā)展到一定的程度，將影響地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。因此，長(zhǎng)期以來(lái)城市地鐵隧道施工引起的地表沉降問(wèn)題一直都是人們關(guān)注和研究的重要課題?！　￡P(guān)于地表沉降的研究需要解決兩個(gè)主要問(wèn)題：提出先進(jìn)的有效控制沉降的施工方法及計(jì)算并預(yù)測(cè)地鐵隧道施工引發(fā)的地表沉降量?！　〔捎脺\埋暗挖法施工地鐵隧道，以往普遍采用全線降水法，此法能保證在地鐵隧道施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“無(wú)水”施工，但是，在我國(guó)南方富水軟土地層中，再采用這種方法就會(huì)在隧道未開(kāi)挖之前，由于降水井抽水引發(fā)大范圍的地表沉降，而且這部分沉降在總沉降中所占的比例高達(dá)70--80％，因此，在這樣的地層施工地鐵隧道，控制沉降的關(guān)鍵在于減小隧道開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)和控制地下水的流失。深圳地鐵大～科區(qū)陽(yáng)J隧道恰在富水軟土地層中施工，且地下管線與地面建筑物的存在要求沉降必須得到有效控制，針對(duì)這一問(wèn)題創(chuàng)新性地提出了以控制地下水流失為主要目標(biāo)的非降水施工方法。本文在此工法實(shí)施前采用了三維有限元數(shù)值模擬和離心機(jī)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比研究，證明該法可行。根據(jù)實(shí)際施工情況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，非降水施工方法科學(xué)合理取得了成功?！　”菊撐脑谘芯窟^(guò)程中，采用三維顯示有限差分分析軟件FLAC 3Dt考慮流固耦合效應(yīng)，建立地鐵施工過(guò)程的滲流一變形一沉降耦合模型，對(duì)滲流、變形，開(kāi)挖及沉降進(jìn)行仿真模擬，系統(tǒng)分析研究了降水法施工及非降水法施工全過(guò)程對(duì)地表下沉的影響，通過(guò)對(duì)比分析確定在富水軟土地區(qū)施工地鐵隧道，地層失水是造成地表沉降的控制性因素且非降水施工方法控制沉降的高效性。采用離心模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了SK3+355和SK3+395斷面的地表沉降規(guī)律，通過(guò)對(duì)非降水施工法及降水施工法對(duì)比分析，得出非降水施工法為最佳方法的結(jié)論?！　?shù)值模擬和離心模型實(shí)驗(yàn)研究成果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基本一致，以水平旋噴樁為技術(shù)核心的以控制地下水流失為目標(biāo)的非降水施工法，可減小施工對(duì)地層的擾動(dòng)、減小施工過(guò)程中的地下水流失，是在富水軟土地層采用淺埋暗挖法施工時(shí)的最佳施工方法?！　∧壳暗牡乇沓两涤?jì)算與預(yù)測(cè)多采用Peck系列的經(jīng)驗(yàn)公式，該系列公式認(rèn)為地表的變形主要取決于土層和地下水位條件，而隧道的埋深、隧道的直徑、支護(hù)以及施工過(guò)程等影響因素沒(méi)體現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)然也沒(méi)有研究沉降過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化?！　∈聦?shí)上，地表沉降受多項(xiàng)因素的影響：而且地鐵隧道施工是一個(gè)在時(shí)間、空間上漸進(jìn)的過(guò)程，因隧道施工弓l起的地層變形沉降在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間是動(dòng)態(tài)變化的，所研究地表任意一點(diǎn)的變形沉降也是與空間上分布的隧道各斷面施工相關(guān)聯(lián)的，任意點(diǎn)的最終沉降是影響不斷累加的結(jié)果。本文采用數(shù)值模擬手段，針對(duì)非降水施工方法，以開(kāi)挖的某斷面為研究對(duì)象，充分考慮各種影響因素，找出開(kāi)挖該斷面沿縱向?qū)ο嚓P(guān)若干斷面產(chǎn)生影響的規(guī)律，得到沉降影響函數(shù)，通過(guò)求和等方法得到非降水法施工引起地表沉降沿縱向分布的預(yù)測(cè)公式。該公式引入時(shí)間因子，考慮具體簏工進(jìn)尺速度，又含有表達(dá)研究點(diǎn)空間位置的變量，完成了對(duì)施工動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述，可以確定施工過(guò)程中某時(shí)刻各研究點(diǎn)的沉降分稚規(guī)律及沉降量，也可以確定某研究點(diǎn)沉降與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能便捷地研究施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)地表沉降?！　?

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