碩士復雜地層平行頂管施工的環(huán)境效應

申請上海交通大學碩士學位論文復雜地層平行頂管的環(huán)境效應研究(上海市重點學科建設資助項目：B208)(國家自然科學基金資助項目：41072209)(國家自然科學基金與日本學術振興會國際合作項目：50911140105)學校：上海交通大學學科方向：巖土工程研究生：XXX指導教師：XXX教授XXX講師上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院土木工程系2011年1月AthesissubmittedtotheGraduateSchoolofShanghaievalutionofimpactsonenvironmentduetoparallelPipe-jackinginsoftsandyDepositSupportedbyShanghaiLeadingAcademicDisciplineProject(ProjectNo.B208)NationalNatureScienceFoundationofChina(GrantNo.41072209)JointResearchProgrambetweenNSFCandJSPS(GrantNo.50911140105)ByXXXSpecialty:GeotechnicalEngineeringSupervisor:XXXXXXSchoolofNavalArchitecture,Ocean,andCivilEngineeringShanghaiShanghai,P.R.ChinaJanuary,2011上海交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名：日期：年月日上海交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密□，在年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密□。(請在以上方框內打“√”)學位論文作者簽名：指導教師簽名：日期：年月日日期：年月日上海交通大學碩士學位論文中文摘要圖4-35給出了二、四號線頂進前、頂進10m、20m、30m時二、四號線軸線正上方土體和三號線軸線上方土體(二、四號線中間)的地表變形。從單管的土體變形來看，二、四號線施工都符合單管分析的結論，一、三號線上方地表變形最大沉降分別為27mm、20mm(與二、四號線頂進前的變形差)，受到一、三號線施工和邊界條件不同的影響而使變形值有較大差異；作為平行頂管施工，二、四號線中間土體變形大于各自的單獨變形，這是由于兩管相距較近，受二、四號線頂進共同影響的區(qū)域出現的變形較大。四號線軸線上方地表變形Variationofsurfacedeformationabovepipe-jackingaxeofLine4二四號線中間地表變形VariationofsurfacedeformationatmiddleofLine2&4本章小結本章通過有限元軟件模擬平行頂管施工，以附加位移的方式按土體損失率模擬土體損失，在開挖面上加邊界條件模擬迎面頂力，并在管土接觸面上定義摩擦，用管節(jié)單元分步位移貫入土體單元的方法實現對頂管施工過程，使數值分析結果能客觀的反應土體變形，得到以下結論：單管頂進時在開挖面的前方，受頂推力的擠壓作用，土體發(fā)生隆起，同時隨著頂程增加，隆起峰值的位置向前移動并且不斷增大；開挖面的后方，土體發(fā)生沉降，同時隨著頂程增加，最大沉降值也在變大。開挖面未到達土體下方時，地表變形主要受頂力擠壓作用而產生隆起，隆起最大值在頂管軸線上方，向兩邊擴散；隨著頂程的增加，開挖面接近土體下方時，地表變形又受到土體損失的影響，以沉降為主，沉降的最大值在頂管軸線上方，向兩邊擴散；隨著頂程繼續(xù)增加，地表變形繼續(xù)下沉，沉降量遠大于隆起量。平行頂管施工時也在一定程度上符合單管頂進的規(guī)律，同時土體變形也受多線頂管施工的影響，出現與單管不同的規(guī)律；相距較近的兩線平行頂管同時施工時中間土體變形可能大于各自的單獨變形；先后施工的平行頂管后施工管道引起的土體變形受先施工管道的影響產生的變形較小。上海交通大學碩士學位論文第5章結論與展望結論與展望主要結論本學位論文針對復雜地層條件下大口徑頂管施工時，引起周圍地層變形的環(huán)境問題，應用現場監(jiān)測、室內試驗、理論分析、有限元數值分析相結合的方法展開研究，對于頂管施工時引起地層變形的關鍵施工參數，如減摩泥漿的注入壓力、泥水艙壓力等對周圍地層變形的影響進行了分析，主要結論如下：復雜地層平行頂管施工的工程概況與現場監(jiān)測分析復雜地層平行頂管施工的工程概況與特點，編制監(jiān)測方案，分析監(jiān)測數據，總結含有砂礓土復雜地層中水下淺覆土多線平行頂管施工過程中的地層受力、變形以及頂管中相互作用的規(guī)律：當頂管施工接近測點時地表變形表現為隆起，隆起值較??；開挖面穿過測點后，產生較大沉降；在頂管繼續(xù)施工的過程中，地表沉降也變大；灌北大堤的地表沉降比其他測點的值更大。土體分層變形以沉降為主，在頂管機頭施工至測點附近時，沉降值較大，之后頂管施工引起周圍土體擾動使沉降繼續(xù)發(fā)展；先施工頂管產生的沉降比后施工頂管要大。土體水平位移沿頂管頂進方向增大，頂管機頭施工接近測點時，土體水平位移變化不大；隨施工繼續(xù)，水平位移持續(xù)增加。頂管施工穿過測點后的一段區(qū)域內，周圍土體土壓、孔隙水壓受施工影響，差值±10kPa范圍內波動；施工時對上方土體及前上方土體有卸載作用，土體有效應力減??；當頂管穿過土體后，受注漿的影響，有效應力增加。頂管施工引起土體變形的理論分析研究頂管沿線注漿對土體變形的影響規(guī)律，用半無限空間圓孔擴張理論來模擬分析注漿壓力對土體變形；總結隧道施工引起土體變形的理論研究，基于半無限空間作用水平力的Mindlin解、以土體移動研究土體損失的鏡像法、半無限平面圓孔擴張的Verruijt解以及Loganathan、Poulos、魏綱等人對上述解答的應用和修正；提出綜合考慮包括頂管施工時附加應力的作用、土體損失和注漿壓力的影響在內的頂管施工引起土體變形三維計算方法，并用于實際工程中，分析土體地表沉降、分層沉降和水平位移的變化，主要得出以下結論：通過室內試驗研究考慮注漿壓力對頂管周圍土體的作用，將Verruijt解答用于土體三維變形分析，提出計算注漿壓力引起三維土體變形的計算公式；對魏綱關于頂管施工的土體三維變形解答公式進行修正，通過考慮剪切擾動區(qū)使公式計算所得水平位移值更符合實際；在Loganathan和Poulos的基礎上修正Sagaseta土體損失的變形計算公式，不僅可以用于土體三維變形分析，而且所得結果更準確。平行頂管的數值模擬通過有限元軟件模擬平行頂管施工，以附加位移的方式按土體損失率模擬土體損失，在開挖面上加邊界條件模擬迎面頂力，并在管土接觸面上定義摩擦，用管節(jié)單元分步位移貫入土體單元的方法實現對頂管施工過程，使數值分析結果能客觀的反應土體變形，得到以下結論：單管頂進時開挖面未到達土體下方時，地表變形產生隆起；開挖面接近土體下方時，地表變形以沉降為主；開挖面穿過土體下方后，地表變形繼續(xù)下沉，沉降值遠大于隆起值。平行頂管施工時也在一定程度上符合單管頂進的規(guī)律，同時土體變形也受多線頂管施工的影響，出現與單管不同的規(guī)律；相距較近的兩線平行頂管同時施工時中間土體變形可能大于各自的單獨變形；先后施工的平行頂管后施工管道引起的土體變形受先施工管道的影響產生的變形較小。展望本文通過現場監(jiān)測、室內試驗、理論分析與數值模擬相結合的方法對復雜地層大口徑平行頂管施工進行算了初步探討，取得了一些有價值的研究成果，但研究仍不夠完善，存在一些不足，也有很多問題有待進一步的研究。主要有幾個方面的工作需要修正和完善：現場測點布置較少，分層沉降測點只針對少數橫斷面布置，沒有沿管節(jié)縱向布置，無法具體分析頂力與土體變形隨頂程增加的關系；所選測試斷面在灌河兩岸，測點易受到灌河水位變化的影響，但監(jiān)測過程中沒有記錄相關水位變化信息，現場監(jiān)測部分存在不足。本文所提出的頂管計算公式是基于彈性假設，而管節(jié)附近土體受開挖、頂力、注漿等影響，處于破壞狀態(tài)或塑性狀態(tài)，公式對應位置的計算結果誤差較大；所提出的公式以單管分析為主，沒做平行頂管的分析，此部分研究有待進一步完善。利用變形系數m、n把彈性半無限平面的圓孔擴張解析解拓展到半無限空間的方法，存在一定誤差；用剪切擾動影響系數對魏綱頂管公式進行修正是通過經驗的估計，沒有理論依據，關于頂管掘進機前方土體受到剪切擾動作用的機理研究仍需進一步的工作。數值模擬以管節(jié)部分與土體的相互作用為重點，將掘進機部分的模擬用管節(jié)代替，并且沒有考慮注漿的影響，使計算結果偏大，頂管施工的數值模擬不完善。上海交通大學碩士學位論文參考文獻參考文獻中國地質大學.頂管施工技術及驗收規(guī)范(試行)[S].北京:人民交通出版社,2007.葛金科,沈水龍,許燁霜.現代頂管施工技術與工程實例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.曹曉陽,吳學偉.頂管施工技術在我國的歷史與發(fā)展[J].非開挖技術,2005,(5):34-37.黃均龍,馮崇翊.我國土壓平衡式頂管掘進機的發(fā)展與應用[J].非開挖技術,2003,20(4-5):94-97.郭海紅.玻璃鋼夾砂管頂管的應用[J].纖維復合材料,2004(1):54-55.王承德.近十年來超長距離頂管發(fā)展狀況[J].特種結構,1997,14(4):16-21.王利波.“西氣東輸”鄭州黃河頂管工程[J].建設機械技術與管理,2005,18(6):24-28.劉稚紅.嘉興市污水處理排海工程超長距離頂管施工[J].特種結構,2004,21(2):72-74.匡志文.嘉興污水處理排海2050m超長距離砼頂管施工技術[J].非開挖技術,2002,(6):24-27.シールドトンネルの新技術研究會(代表鈴木章):シールドトンネルの新技術[M].東京:土木工學社,1995.Matros,F.Concerninganapproximateequationofthesubsidencetroughanditstimefactor.InternationalStrataControlCongress[C].Leipzig,1958:191-205.Peck,R.B.Deepexcavationsandtunnelinginsoftground[A].Proceedingof7thInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering[C].MexicoCity,1969:225-290.Attewell,P.B.,Farmer,I.W.Groundsettlementaboveshielddriventunnelsinclay,TunnelsandTunneling,1975,7(1):58-62.Atkinson,J.H.,Potts,D.M.Subsidenceaboveshallowtunnelsinsoftground[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1977,103(4):307-325.CloughG.W.,Schmidt,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