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长沙万家丽小转弯隧道盾构适应性及其建筑施工特性研究

时间:2018-12-05 20:04来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,随着建筑工程行业竞争的不断加剧,大型建筑工程企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的建筑工程生产企业愈来愈重视对行业市场的研究。
本文是一篇建筑工程论文,随着建筑工程行业竞争的不断加剧,大型建筑工程企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的建筑工程生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的建筑工程品牌迅速崛起,逐渐成为建筑工程行业中的翘楚!(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景
20 世纪的全球城市化使得城市建设速度在不断加快,人口的不断膨胀导致了越多的城市出现不同程度地用地紧张、交通堵塞、环境污染、能源消耗过快等问题,这给城市居民生活带来了很大影响,也制约了社会与经济的向前发展。日益增长的城市交通需求与土地资源不足的矛盾愈加严重。为了释放地面交通压力,我国很多大中城市都已经筹建或建成了较长距离的地下交通。地下交通[1]具有高效、快捷、安全、土地占用少等优点,是城市提高出行效率与解决交通拥堵的最优方案。作为人口大国,随着地面土地的紧缺,我国将加大加快对地下空间的开发。在地下空间发展进程中,地下交通仅是其一部分,如今,越来越多的排水隧道、电力隧道、城市管廊等地下结构因为其独有的优势引起城市建设者的重视。比如说电力隧道,传统高空走廊的电力输送形式受到城市景观、城市空间和安全等的限制,难于在现代城市中继续采用,而地下隧道的电力输送形式拥有容量大、安全、不占地面土地资源、不影响城市美观等优点,是现代城市大电力输送的最好方式。现在,各个城市一般都采用盾构法来修建地铁。城市中各种建筑物及构筑物分布较密集,如写字楼、商业广场、住宅以及高架桥等,而且在地面下分布着各种市政管线,这些使城市地下建设环境不同于自然环境,尤其长沙地区受湘江水系的影响,工程、水文地质条件比较复杂,有些隧道走向需要穿越湘江。为适应这种复杂地质条件,降低隧道施工对周边环境的影响,除了地铁隧道,城市的深排污隧道、电力隧道等项目都有采用盾构法施工的。盾构隧道因受建筑的桩基础、已有运营或已经规划的地铁隧道等城市规划和建筑物的制约,使隧道线形更加的复杂,不得已采用连续的小转弯隧道线形,并且小转弯盾构隧道在未来城市隧道的发展中会越来越常见。
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1.2 研究意义
至今,小转弯盾构隧道的施工在我国还在初步探索的阶段,缺乏有效的能类比的工程供借鉴,没有相应的设计与施工规范供参考,在盾构机和管片选型设计和施工控制等方面存在着许多的技术难题。尤其对于转弯隧道,独特的施工特性给研究人员提供了诸多新的研究方向,比如管片对曲线线型拟合问题、隧道施工工作面的稳定问题[2]和隧道施工扰动和风险问题以及隧道施工控制技术等问题。这些问题的解决对转弯隧道施工安全、质量具有重要意义。为了更好地实现线路规划、工程建设及运营的目的,相比于传统地铁的 300m最小转弯半径,采用新型性能优良的直线运载系统,线路最小转弯半径[3]可达到80m,同时盾构最大直径也可相应地减少 1/3~1/4。而且地铁建设的线型选择更加灵活,隧道埋深减少,造价更低。小转弯隧道施工对周边环境的影响比直线隧道更大。特别在住宅建筑繁多,地面交通繁忙,紧邻地下隧道、地下市政管线区间,施工不慎往往容易造成极不利影响。研究小转弯隧道施工扰动和风险对隧道稳定施工十分有必要。通过本文研究,可为小转弯盾构隧道施工变形控制提供一些参考依据。一般直线隧道的受力模型是平面应变问题,千斤顶对管片的轴向应力大体是均匀分布,而小转弯隧道的千斤顶偏心量变大,引起的弯矩会造成管片轴向应力非均匀分布。偏心过大,可能会使曲线内侧管片受拉而外侧的管片受压,若内侧管片拉应力过大,可能会造成螺栓断裂,若外侧管片压应力过大,可能会造成混凝土管片破裂。大多研究隧道衬砌结构的设计通过横向模型,纵向模型的管片设计研究虽有一些成果但还不成熟。通过本文本研究,可为小转弯盾构隧道管片设计与拼装提供一些参考建议。
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第二章 盾构与管片选型及其适应性研究
 
2.1 盾构选型
2.1.1 盾构选型原则
盾构机选型工作是确保隧道施工安全、稳定、环保、经济、便捷的重要步骤。盾构选型的总体原则是优先考虑隧道施工的安全性,再考虑施工技术的先进性,最后考虑盾构机型的经济性。另外,因为地层状况会随盾构推进而发生变化,盾构选型时还要考虑盾构的适应性,即要选择适合于多种地层条件的掘进机类型。为了满足万家丽隧道的总体布设、地质水文条件、衬砌结构、施工条件、地面建构筑物及地下管线障碍等周边环境多方面的要求,城市地下隧道施工一般采用以下两种盾构机型:盾构通过焊接在切口环和支撑环之间的隔板使掌子面封闭形成土仓,其结构示意图如下图 2-1 所示。土压平衡式盾构的工作原理是将刀盘切削下的土对封闭土仓进行充填,直至达到设定的土量来保证盾构有足够的压力与掌子面的土压相平衡。封闭土仓的压力主要是通过装在隔板中部的螺旋运输机的出土量来控制,封闭土仓土压随出土量的增大而减小,反之上升,在配合刀盘切削速度与盾构掘进速度,让舱内的土体不会太松或太密,这样就可达到稳定开挖面的作用。
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2.2 盾构适应性研究
 
2.2.1 软土及富水砂石层的适应性
本工程盾构区间掘进土层主要为软土层和砂土层,所选的土压平衡式盾构应具有以下适应性:(1)利用焊接在刀盘侧面开孔位置的钢板可以减小刀盘的开口率,且刀盘上配备了切刀和刮刀可以满足软土、中粗砂及砾砂层等软弱土层的掘进需要,且刀座是通用的,滚刀可以换成齿刀,满足软岩土层的开挖要求。(2)配备先进的土压控制系统,在密封隔板上有 5 个土压传感器,根据传感器安装位置的不同能监控土舱不同位置的土压,还可以利用螺旋输送机的无级变速功能精确地控制土舱的出土量。土压控制系统可以全自动或根据需要手动控制土舱压力、推进速度、泡沫注入量等施工参数,确保开挖面可以维持动态平衡。(3)为满足富水砂卵石层的掘进要求,在螺旋机上装了 4 个 X50 球阀,通过这些球阀可以向土舱内加入聚合物来改良渣土,使盾构形成一个“土塞”,防止土仓出土口发生喷涌。盾构还配备了膨润土系统,将地面发酵好的膨胀土注入土舱内,与渣土一起搅拌来改良渣土,使之形成“泥膜”,避免发生喷涌现象。且通过该控制系统设定好泡沫参数,将泡沫发生器打出来的“锯齿状”泡沫打进土舱,泡沫能够依附在管片上,形成的气泡膜会对水产生阻力,避免发生喷涌。
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第三章 小转弯盾构隧道工作面支护力研究....... 15
3.1 隧道工作面失稳破坏类型....... 15
3.2 小转弯盾构隧道工作面支护力计算....... 16
3.3 数值模拟确定隧道工作面极限支护力..... 21
3.4 隧道工作面极限支护力的影响因素....... 25
3.4.1 地下水位对工作面极限支护力的影响....... 25
3.4.2 内摩察角对工作面极限支护力的影响....... 26
3.4.3 粘聚力对工作面极限支护力的影响......... 27
3.5 本章小结..... 27
第四章 小转弯盾构隧道施工扰动及风险研究..... 28
4.1 小转弯盾构隧道施工扰动分析........... 28
4.2 小转弯盾构隧道施工风险评定........... 31
4.3 本章小结..... 38
第五章 小转弯盾构隧道施工控制技术研究....... 39
5.1 小转弯盾构隧道施工的重难点........... 39
5.2 小转弯盾构隧道轴线控制技术........... 40
5.3 小转弯盾构隧道整体侧偏控制技术....... 44
5.4 小转弯盾构隧道管片安装质量控制..... 47
 
第五章 小转弯盾构隧道施工控制技术研究
 
城市隧道建设中,由于受道路障碍限制和四周环境影响,某些地段不可避免地要进行小转弯隧道施工。小转弯隧道施工控制比直线隧道更为复杂,施工不当易造成一系列风险。随着近几年城市地下管廊地快速发展,小转弯隧道施工技术具有很大进步,这为小转弯隧道施工提供了可靠性和可行性。
 
5.1 小转弯盾构隧道施工的重难点
盾构隧道施工时一般不会完全沿着设计的线路轴线进行推进,而是在线路轴线附近做上下左右四个方向的摆动,因此实际掘进的隧道轴线是与设计的隧道轴线是有差别的,尤其是在小转弯隧道段,因为曲线弧度大,盾构机需要左侧千斤顶跟右侧千斤顶形成较大的推力差才能实现转弯,但是两侧千斤顶推力的调整范围不大,即实现盾构转向控制的推力差范围也很小,所以隧道轴线控制更加地困难。且在连续小转弯隧道施工中,因盾构机推进形成了连续的一系列折线线形,盾构机需要连续的纠偏才能让连续的折线近似的拟合曲线,而进行纠偏调控需要的盾构施工参数要结合掘进土层情况和施工经验等相关因素综合考虑才能确定,对于小转弯盾构隧道,前后掘进地层条件的变化会导致盾构前后施工的参数也不一样,操作控制更加困难。
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结论
 
本论文以长沙万家丽路电力隧道工程为依托,针对隧道富水地质和连续小转弯半径的显著特性,基于理论分析和相关工程实例,借助有限元分析软件MIDAS-GTS,在对盾构机型和管片选型与适配性研究的基础上,对小半径盾构隧道施工特性进行了研究与探讨。本文得到了下列主要研究结论:
(1)根据盾构选型的原则,分析与比较了土压平衡盾构与泥水盾构的工程适应性差异,从区间地质水文条件、渗透系数、地层颗粒级配、地层类别、经济效益等多因素考虑,确定工程采用土压平衡盾构施工,并且研究了盾构设备对复杂地层的适配性;讨论了影响管片选型的因素,计算了本工程管片的实际楔形量满足曲线隧道线型的需要。
(2)以筒仓理论为基础,借助极限平衡法以及模型的几何关系,提出了小适用转弯半径盾构隧道的模型并给出了隧道施工工作面上的支护力计算公式,通过迭代滑裂面破裂角求得保持施工工作面稳定的极限支护压力为78.8 kPa,并将数值模拟中工作面中心点土体发生突变位移时的支护力看做是极限支护力为83.7kPa,与理论解相比,误差仅为6.2%,说明计算公式具有一定的可靠性。
(3)采用大型有限元软件MIDAS-GTS进行建模研究小转弯半径盾构施工工作面失稳变形状态,分别考盾尾间隙和不对称推力因素的影响,真实地模拟了转弯段隧道掘进过程;研究了地下水位、内摩擦角、粘聚力对开挖面支护应力的影响,地下水位的影响最为明显,内摩擦角其次,粘聚力最后。
(4)根据数值模拟结果,探讨了盾构隧道地表沉降的四个过程,并将盾构转弯段土体变形规律与直线段相比较:转弯段隧道正上方土体的沉降规律与直线段隧道相似;隧道外侧土体受到盾构挤压的影响,所以小转弯盾构隧道内侧土体变形比直线盾构更大。最后分析了不同小半径下的开挖面土体位移变形趋势,随转弯半径增大,开挖面土体变形先增大然后减小且最大位移点向右偏移。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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