帕斯捷尔纳克模型隧道段隆起的地铁盾构隧道施工模式

文摘

段隆起是一个频繁的盾构隧道施工应注意的问题。段隆起的现象在徐州地铁1号线调查。在页岩层段隆起幅度相当小比粘土层。隧道段隆起计算模型提出了基于帕斯捷尔纳克地基梁模型,认为随着时间的推移,灌浆体的硬化过程。采用有限差分法来计算段隆起的大小在不同隧道施工阶段,和一个数值解段隆起的纵向方向。数值解的适用性进行了研究与现场试验结果进行比较和参数分析也进行调查不同的影响因素对段令人振奋的。结果表明,路基模量系数,剪切层的剪切刚度,灌浆压力影响隧道段令人振奋的。路基模量系数的影响和灌浆压力段隆起是更重要的。

1。介绍

中国正在建造一个大型城市地下基础设施。盾构法广泛应用于地铁隧道的建设,因为少对周边环境的影响。然而,这种方法的一个缺点是,隧道掘进机的直径大于隧道衬砌,所以有一定差距衬里和周围的土壤可以释放约束周围的土壤。因此,差距是同时由灌浆需要相对较长的时间来巩固。与此同时,由于隧道掘进机是不断前进,总有一定长度的隧道衬砌位于unsolidified灌浆。因此,浮力诱导unsolidified灌浆和可能大于衬里的严重性,导致部分令人振奋的趋势。过度段隆起不仅损害了部分,还破坏隧道的防水设施,导致恶化在隧道结构的安全性和可服务性1- - - - - -4]。

之前有研究表明,部分隆起是由许多因素,如工程地质、水文地质、灌浆质量和盾的姿势(5- - - - - -11]。根据实验调查,Shirlaw et al。12)认为,泥浆性能和灌浆压力管道段的流动有很大的影响。桥本et al。13,14)来到结论衬砌的压力灌浆压力的耗散率有关。周和霁(15)得出的结论是,燃烧室压力、掘进速度和总推力对段提升几乎没有影响,但灌浆压力、灌浆组成部分隆起上最敏感的影响因素。此外,数值方法是喜欢研究段提升的机制,例如,二维模拟由Zhang et al。16Kasper和Meschke[]和三维模拟了17]。做et al。18密苏里州)和陈19),陈等人。20.Kasper和Meschke [],17)指出,段提升注浆压力的增大而增大。Bezuijen et al。21)表明,灌浆的淬透性影响antifloating段的能力。尽管灌浆压力等因素的影响,掘进速度,和燃烧室压力调查,隧道段隆起之间的关系和灌浆的凝固过程并没有被研究过。lining-grout-soil交互机制和衬里隆起行为尚未完全了解。

在这项研究中,在徐州段隆起的现象研究地铁1号线隧道段隆起模型基于帕斯捷尔纳克地基梁模型,提出了考虑灌浆体的硬化过程的时间。有限差分法是用来计算段隆起的大小在不同隧道施工阶段,和数值解。数值解的适用性进行了研究与现场试验结果进行比较和参数分析也进行调查不同的影响因素对段令人振奋的。

2。段地铁盾构隧道的隆起

段隆起的地铁盾构隧道施工是非常著名的在中国的各种土壤地区。图1显示了900环盾的路线段徐州地铁1号线的部分。段是埋在9.8 - -19.5米的深度。土壤的地面特征层表中列出1。土壤层次主要是第四纪更新世晚期粘土和完全风化页岩。如图1,第一个450段的隧道部分是构建在页岩层在接下来的450段构造粘土层。然而,部分隆起大小的两层(图有很大不同2)。平均、最大、最小提升隧道建于油页岩层的大小42毫米,74毫米和5毫米。段的粘土层,相应的大小是80毫米,129毫米,分别和44毫米。

3所示。段提升模型

3.1。力学模型

段隆起的行为并不影响盾构机的推进速度根据周和霁研究[15]。合理的解释是段令人振奋的发生,同时为段安装盾构机的伫立。图3描述了盾构隧道在施工阶段的工作条件。衬里的部分是受灌浆压力和盾构机的顶推力和受到基金会和盾尾。载荷和约束的部分被认为是某种模式由于周期性隧道推进的过程。提出了图4段,灌浆压力和约束都考虑在内。

考虑相变时间从液体到固体浆液,段隆起分为五个阶段根据隆起特征如图4:(1)无粘结阶段,(2)快速上升阶段,(3)缓慢上升阶段,(IV)平衡阶段,(V)浆液凝固阶段。在无粘结阶段,部分在盾尾,灌浆尚未开始。灌浆完成后,部门将上浮在泥浆和水的浮力。与此同时,土壤的顶部衬段会产生更少的反应部队,这很快就会浮起来。当土壤顶部由段,开始挤压产生向上的位移,段令人振奋的利率可以减少由于土壤的反作用力。当电阻的表土段可以完全克服浮力,段慢慢隆起。也就是段在平衡阶段。随着泥浆逐渐凝固,浮力逐渐消失。当段的位置是固定的,在灌浆阶段完全凝固。

研究中的理论推导是基于以下基本假设和简化处理:(1)段的提升速度缓慢,部分被认为是处于静力平衡状态。(2)隧道段的横向和横断面变形很小,可以忽略。(3)土壤中浆液的渗透将被忽略。(4)土壤是线性弹性各向同性和小变形。(5)灌浆液体施加均匀周围的地层压力。

3.2。段隆起方程基于帕斯捷尔纳克地基梁模型

五级后段隆起的定义,T₁,T₂,T₃,T₄,T₅被定义为无粘结的持续时间(我),快速提升(II),缓慢上升(III),平衡(IV),分别和浆液凝固(V)阶段。的总持续时间分为五个时期n段,如图5。假设盾构推进的速度是常数,通过空间段的长度在每一个时间间隔,用l是相等的。注意,部分除以时间间隔从开始到结束都是0,1,2,3,…,r−1r,r+ 1…年代1,年代,年代+ 1…n−1n,在那里T₁包括节点0r;T₂,T₃,T₄包括节点r来年代,T₅包括节点年代来n。然后,总令人振奋的大小无粘结阶段完成的隧道灌浆凝固等于漂浮在每个周期时间的总和。浮力的值在每个周期时间与力状态,隧道段的边界条件。

在这项研究中,盾尾为原点建立一个参考系统、盾构推进的反方向的x设在,垂直方向的y设在建立平面坐标系统。如图5,因为段和盾尾分离,相对于盾构机位置的改变,随着盾构机的进步(事实上,段是静止的相对的大地坐标系统和盾尾)。然后,部分经过一个过程x= 0x=∞,总段隆起部分的大小等于在每一个隆起的总和x的位置。因此,地基梁模型可以用来模拟的隆起部分(22]。

帕斯捷尔纳克地基梁模型采用建立隧道的隆起偏转模型。帕斯捷尔纳克模型添加一个剪切层G文克尔模型,可以模拟土壤质量和之间的剪切刚度计算挠度微分方程基于两个参数地基模型,表达了 在EI地基梁的抗弯刚度,y的令人振奋的是,K是路基模量系数,G是地基的剪切刚度,B是隧道的宽度(米),然后呢P(x)是浮力。

如图5段分开的盾尾时,没有灌浆压力的影响无粘结部分,和浮力等于零。盾尾间隙的存在领域。在这个阶段,路基的地基模量和剪切刚度对部分非常小,表示K₁和G₁这里,盾尾被认为是在固定端由于杰克盾尾的效果。灌浆是完全凝固时,部分将不再漂浮。在这个阶段,隧道几乎是稳定的。最大的路基模量K₃和剪切刚度G₃被和边界条件可以被视为固定端。段上升期间,K₂和G₂路基逐渐增加。为了简化计算,K₂和G₂认为改变线性来自哪里K₁和G₁来K₃和G₃,分别。令人振奋的压力节点r是最大的,这变化线性节点年代,在令人振奋的压力为零。

从上面的介绍,阶段之间的转换(I)和(II)和(IV)和(V)可以判断是否有令人振奋的。然而,很难准确区分阶段之间的转换阶段(II、III和IV),因为三个阶段的段令人振奋的不断发生。因此,段令人振奋的计算阶段(II、III和IV)需要考虑在一起。然后,基于(1),隧道的挠度方程在无粘结(我),令人振奋的(II、III和IV),并完成凝固(V)阶段 与 在哪里p_米表示部分的浮力r。

4所示。模型参数和数值解

4.1。确定的参数

浮力的大小和分布、等效梁的抗弯刚度,减少和基础的参数及其确定段隆起。

以下4.4.1。浮力的大小和分布

根据你们et al。23),导致隆起部分的主要力量是静态隆起造成的泥浆和地下水动态的上升导致了灌浆。静态的浮力可以计算如下: 在哪里F_J是静态的浮力,R隧道的周边半径,γ_l单位重量的液体。

在灌浆过程中,除了静态浮力,动态灌浆压力也会影响部分的应力状态。灌浆压力段的动态行为变化与灌浆位置。直接低于隧道注浆点时,灌浆压力使部分承担额外的最大上行载荷,如图6。在这种情况下,浮力引起的灌浆压力段 在哪里P_D是动态浮力,p灌浆压力,θ灌浆的边界之间的角分布范围和垂直方向。

4.1.2。等效梁的抗弯刚度

因为隧道由多个部分加入了螺栓、整个隧道不均匀的抗弯刚度。隧道通常是分析的等效抗弯刚度。在这项研究中,提出的等效梁的抗弯刚度日本柴(24采用),表示为 在哪里φ中性轴的位置,K_b连接螺栓的线性刚度和吗K_b=E_b·一个_b/l_b,E_b螺栓的弹性模量,一个_b螺栓的横截面积,l_b螺栓的长度,u是纵向螺栓的数量,我_年代隧道的纵向惯性矩,E_年代是隧道截面的弹性模量,一个_年代隧道的横截面积,l的中心线之间的距离两个相邻管道段戒指。

4.2。数值解

当部分在图5盾尾分开,盾尾约束其垂直位移和角度,导致节点0在固定端。因为周围的灌浆段时间凝固在T5期间,远端可以被看作是固定的。因此,节点的垂直位移和角度0盾尾和节点n在远端为零,和边界条件

前节点0和后节点n,两个虚拟节点−1和n分别添加+ 1计算。基于标准的有限差分原理,方程的有限差分形式(2)- (4)可以写成:

用(10)和(11)(2)- (4)和(9),挠曲线的有限差分形式,和矩阵表达方法如下: [K]刚度系数矩阵, ,(y)挠度矩阵,P是负载矩阵,

(12)可以获得解决y的解决方案,这是静态的令人振奋的大小在经度方向的隧道。

5。模型验证和参数分析

5.1。模型验证

执行验证的部分徐州1号线地铁隧道的隆起,如图2。隧道衬砌的基本参数如表所示2。表列出了模型参数3。基础模量和剪切刚度是由一个简化的方法Attewell [25和梁26), 在哪里μ是泊松比,它是假定常数(= 0.3)在这项研究中,E₀是土的弹性模量,H_t是剪切层的厚度,H_t= 2.5D建议由徐(27]。计算部分隆起的40段呈现在图7。无粘结的阶段,快速隆起段。最大的提升点发生在快速上升阶段的开始。之后,上升段的大小逐渐减少。计算最大隆起的大小是122毫米,略小于129毫米的监控最大值。的验证,表明该方法采用分析可以提供一个快速和有效的方法来评估隧道施工期间段隆起。因此,安全的部分可以通过比较来判断计算值段隆起的容许值,可用于指导下盾构施工。

5.2。参数分析

一系列参数进行研究,更好地理解不同的影响因素对段隆起,包括路基模量系数、剪切层的剪切刚度,灌浆压力。与相应的因素,直接比较的其他参数表2和3采用。

5.2.1。路基模量系数的影响

路基模量系数是用来表示土壤的压缩性能。出于这个原因,路基模量系数作为20,25岁,30岁,35岁和40 MPa研究其影响衬砌段隆起。计算结果如图8。从图可以看出,路基模量系数的大小有很大的影响。与路基模量系数的增加,最大隆起的部分迅速减少。这是合理的,因为一个大模数意味着土壤不容易压缩。

5.2.2。剪切刚度的影响

土壤的剪切层土壤的剪切刚度影响它的剪切强度。出于这个原因,选择剪切刚度是0.5,1.0,1.5,2.0,和2.5×10⁵kN / m,分别研究其影响段隆起。替代上面的剪切刚度模型,计算结果显示在图9。从图可以看出,随着剪切刚度的增加,上升段的大小减少。然而,相比之下,的影响K段令人振奋的,剪切刚度的影响很小。由于土壤的剪切刚度的增加,土壤颗粒之间的抗剪强度增加。当土壤产生不均匀变形,需要克服更大的剪切强度,从而导致增加阻力压制段的上升趋势。

5.2.3。灌浆压力的影响

灌浆压力直接影响到隧道的浮力。灌浆压力p= 0.2,0.4,0.6,0.8,和1.0 MPa是用来研究其影响力提升的部分。采用上述灌浆压力的计算模型,结果显示在图10。可以看出,随着灌浆压力的增加,上升段的大小增加,但增长率下降。

6。结论

段隧道的隆起的现象通过两种不同地层的徐州地铁1号线。一段隧道的隆起模型提出了基于帕斯捷尔纳克地基梁模型。使用有限差分法计算段在不同阶段的令人振奋的数值解。模型校准的适用性与现场试验结果进行比较。参数也进行了调查分析不同因素对段隆起的影响。可以得出以下结论:(1)徐州段隆起级施工的地铁1号线隧道时通过两种不同土壤层次是截然不同的。平均、最大、最小提升隧道建于油页岩层的大小42毫米,74毫米和5毫米。段的粘土层,相应的大小是80毫米,129毫米,分别和44毫米。(2)段隆起在盾构隧道分为五个阶段:(I)无粘结阶段,(2)快速上升阶段,(3)缓慢上升阶段,(IV)平衡阶段,(V)浆液凝固阶段。帕斯捷尔纳克地基梁模型是用于开发段隆起模型考虑浮力的机械动作,灌浆压力、衬里和约束。模型的数值解是通过有限差分方法。(3)验证了该模型的应用测量比较。参数分析表明,路基模量系数,剪切层的剪切刚度,灌浆压力都影响隧道的段令人振奋的。路基模量系数的影响和灌浆压力段隆起是更重要的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认自然科学基金的支持来自江苏省高校(排名20 kja560003),中国博士后科学基金会(2020号m681769),和指导项目江苏省住房和城乡建设部(2019 zd079和2017 zd094)。这项工作也由清局域网项目和合肥的博士后工作站。

引用

1. 观测。程,Z.-P。歌,w .田,Z.-F。王”,盾构隧道隆起变形描述:一个案例研究从郑州地铁”隧道与地下空间技术卷,79年,第95 - 83页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. R.-p。陈,L.-g j . Li。香港,L.-j。唐”,试验研究盾构隧道面临不稳定在沙子,“隧道与地下空间技术于页。12日至21日,33卷举行,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. h, s·h·周Di, j .肖”沉降差和诱导结构损伤随挖随填法地铁隧道软存款,”《构建设施的性能,30卷,不。5、文章ID 04016028, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j .霁z, j夏,Y, z . Wu和陆问:“为隧道面临稳定高效的概率设计方法,逆可靠性分析,“地球科学前沿,12卷,不。5、文章ID 101210, 2021。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 赵问:锣,y, j .周,周,“抗隆起和渐进性破坏机制的地铁盾构隧道在软粘土中,“隧道与地下空间技术卷,82年,第234 - 222页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. d·l·金、沈x和d . j .元”理论分析盾构隧道三维地面位移引起的,”应用数学建模卷,79年,第105 - 85页,2020年。视图:谷歌学术搜索
7. 诉诉Marusin和k·e·库珀”复杂的隧道系统的早期Fortunian宏观endobenthos Ediacaran-Cambrian过渡层的Olenek隆起(东北西伯利亚平台),“前寒武纪研究文章ID 105627卷,340年,2020年。视图:谷歌学术搜索
8. r·d·安德鲁斯·j . Zhang和c·h·Juang“规范化的剪切模量和材料阻尼比的关系,“岩土和Geoenvironmental工程杂志》上,卷131,不。4、453 - 464年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. D.-M。张,Z.-K。黄,R.-L。王,J.-Y。燕,j .张“Grouting-based隧道沉降的治疗:实践在上海,“隧道与地下空间技术卷,80年,第196 - 181页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k: Soga k, h .船长,m·r·贾法里·m·d·博尔顿,“相关土壤固结灌浆在软粘土质地面隧道盾构掘进期间,“岩土工程,51卷,不。10日,835 - 846年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 问:高f、l .曾和z n .史”的进化不饱和压实粉质粘土的抗剪强度和微观结构润湿路径,”国际地质力学杂志,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d . p . j . n . Shirlaw Richanls, p .多米尼克“最近的经验与软弱地基隧道自动尾空白灌浆钻孔机,”隧道与地下空间技术,19卷,不。4 - 5,446年,页2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. t .桥本,j . Brinkman, t . Konda y卡诺,和Feddema”同时回填灌浆,发展在构建阶段和长期的压力,”隧道。十年的进展GeoDelft 1995 - 2005,页101 - 107年,泰勒和弗朗西斯,代尔夫特,荷兰,2005。视图:谷歌学术搜索
14. T .桥本,j . Nagaya T . Konda和T(“观察由于盾构隧道衬砌的压力,”学报》第三届国际研讨会在软弱地基岩土方面的地下建筑IS-Toulouse,东京,日本,2002年1月。视图:谷歌学术搜索
15. 周和c .霁”隧道段隆起土压力平衡模型在软土盾在地铁隧道施工过程中,“国际期刊的现实疗法,卷2,不。4、221 - 238年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 问:张先生,w . j .元,h·h·张,l·黄和y . f .钟,“分析和数值抗浮研究关于盾构隧道河对岸,”先进材料的研究卷,671 - 674。1,第1092 - 1087页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. Kasper和t . g . Meschke”面临压力的影响,灌浆压力和TBM的设计在松软的地面隧道,”隧道与地下空间技术,21卷,不。2、160 - 171年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. .世界。d·迪亚斯,p . Oreste, Djeran-Maigre,“机械化双隧道的三维数值模拟软地面,“隧道与地下空间技术,42卷,40-51,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. h·h·莫和j·s·陈,”研究的内在力量和位错段盾构施工引起的态度,“隧道与地下空间技术,23卷,不。3、281 - 291年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. R.-P。陈,F.-Y。孟,中州。刘叶,y”,提升行为的数值模拟盾构隧道在施工阶段,“土壤和基金会,卷。58岁的没有。2、370 - 381年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. a . Bezuijen a . m .达f . j . Kaalberg和r . Plugge“实地测量的灌浆压力在索菲亚铁路隧道的隧道,”土壤和基金会,44卷,不。1,39-48,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. h . Tanahashi”公式一个无限长的Bernoulli-Euler梁帕斯捷尔纳克模型”土壤和基金会,44卷,不。5,109 - 118年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 你们f、h·h·朱和w .问:叮,“计算抗浮力和控制分析盾构隧道考虑联合部分环的影响,“中国的高速公路和运输》杂志上,21卷,不。3,第80 - 76页,2008年,在中国。视图:谷歌学术搜索
24. y日本柴,k .川岛:Obinata, t·卡诺”盾构隧道纵向刚度衬里的评价方法应用于地震响应分析,“Doboku Gakkai Ronbunshu,卷1988,不。398年,第327 - 319页,1988年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. p . b . Attewell、j·耶茨和a·r·塞尔比土壤运动引起的隧道效应及其对管道和结构的影响黑人和儿子,伦敦,英国,1986年。
26. f·r·梁w . Wu, g .江和j·刘,“简化方法评价盾构隧道变形由于邻近开挖,”隧道与地下空间技术卷,71年,第105 - 94页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. l .徐研究软土盾构隧道纵向沉降“同济大学,上海,中国,2005年,在中国。

版权

版权©2021道香菱等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。