盾构空洞引起地层移动研究

英文摘要 Ⅱ
   目录 Ⅲ
1 绪论 1
1.1课题的背景以及研究意义 1
1.1.1课题的背景 1
 1.1.2 研究意义 2
1.2研究现状综述 3
1.2.1相似材料模型试验发展现状 3
1.2.2 盾构空洞的研究状 3
1.3本文的研究内容和方法 4
1.3.1 本文的研究内容 4
1.3.2 本文的研究方法 4
2 模型试验的基本理论及相似比的确定 5
2.1 引言 5
2.2 模型试验的相似理论 5
2.3 模型试验相似比的确定 6
2.3.1 几何相似比的确定 6
2.3.2 重度相似比的确定 6
2.3.3 试验方案 6
3 模拟试验 13
3.1第一次试验 13
3.2第二次试验 14
3.3第三次试验 16
4 结论与展望 18
4.1 结论 18
4.2 展望 18
致谢 19
参考文献 20

1 绪论
1.1课题的背景以及研究意义
  1.1.1 课题的背景
随着中国经济的高速发展和城市化水平的快速提高,正在形成的城市人口超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化减少、交通严重阻塞的“城市综合症”已成为我国城市发展的突出矛盾，严重制约着城市的可持续发展。为解决这一社会矛盾，地铁轨道交通是城市绿色交通工具，具有安全、正点、舒适、快捷、大容量、低成本的特点，各城市纷纷发展地铁工程建设，缓解城市交通压力。目前北京、香港、台北、天津、上海、广州等城市的地铁已投入运行，杭州、深圳、沈阳、南京、重庆、武汉和青岛等城市正在积极兴建或计划兴建地铁。
然而，经国内外实践表明，盾构法施工多少都会扰动地层而引起地表的沉降。即使采用目前先进的(包括同步壁后注浆在内)密闭盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。根据国内外相关研究成果，盾构法施工造成地表沉降的主要原因是施工中产生的地层损失引起的地层移动。盾构法施丁中引起地层移动的因素有[1-3]：(1)开挖面土体的移动。盾构掘进时，开挖面处刀盘切削土体，开挖面土体的松动和坍塌，破坏了原来地层应力平衡状态，导致地层沉降或隆起。(2)盾构法施工中盾构后退，使开挖面塌落和松动引起地层损失而产生地表沉降。采用降水疏干措施时，土体有效应力增加，再次引起土体固结变形。(3)土体挤入盾尾空隙。主要原因是因压浆不当，使盾尾后部隧道周边土体向盾尾坍塌产生地层损失，引起地层沉降。(4)盾尾注浆。注浆压力一般大于隧道上覆土压力，使注浆区域周围土体向远离隧道的方向移动，从而抵消上部土体的部分沉降，当注浆压力较大时也可能引起盾构上方土层的隆起。(5)盾构推进方向的改变、纠偏、仰头推进、曲线推进都会使实际开挖面形状大于设计开挖面而引起地层损失。(6)盾构与土体间摩擦引起的土体挤压“剪切”效应，引起地层损失。(7)土体受施工扰动的固结作用。次固结沉降往往要持续几年，在软土中它所占沉降量的比重高达35％以上。(8)随盾构推进而移动的正面障碍物，使地层在盾构通过后产生空隙而又未能及时注浆。(9)在水、土压力的作用下隧道衬砌产生变形，会引起小量的地层损失。(l0)盾构壳半径小于刀盘半径，使得盾构机向前推进过程中，盾构壳周围有间隙，周闱土体向空隙处移动，导致地面沉降。(11)作用于盾构的外力(千斤顶荷载)变化。(12)因盾构操作引起的过量取土。(13)因地下水位变化引起孔隙水压力变化，而导致的长期固结沉降。
由此带来的环境灾害问题主要包括:(1)引起地表建(构)筑物的变形、开裂，甚至倒塌、破坏，造成人员伤亡和财产的巨大损失。(2)地下开挖导致地表的变形不仅仅是沉降，还同时作用有水平拉压应变。对于以受压为主的基础，有时会因拉应变作用产生破坏。(3)引起路面开裂、沉陷，造成道路平整度不够，影响行车安全和舒适，甚至对路面造成损坏，诱发交通事故。(4)引起地下构筑物的变形、开裂及破坏，影响其正常运营和使用。(5)引起地下各种管线的变形、开裂或断裂，造成煤气泄漏、水管爆裂、电缆断裂而停电、光缆断裂而中断通信等等。(6)地下施工通过既有桥梁、房屋等设施时，导致其桩基础沉降，或者产生对桩的负摩擦力，使之承载能力降低，甚至丧失承载能力。(7)特定的建筑地基具有特定的承载能力，地下施工对周边地基土的扰动，会减少地基承载能力。(8)影响精密仪器设备的正常使用。
相对而言，国内外对引起地层沉降的衬砌背后空洞研究得较少[4]。但由于多方面原因,隧道衬砌背后空洞是一个比较严重的问题,容易被忽视。根据我国广东梅汕铁路公司对103座隧道的无损检测，测线长34.4km。其中衬砌背后存在空洞长度占测线总长的7. 8 %[5] 。通过地质雷达检测发现，隧道衬砌拱顶、拱腰、边墙等区域10 %～50 %存在不同程度的空洞。而且,空洞的出现往往使裂缝产生甚至失稳[6]，这对在役的隧道的正常运营有极大的影响和威胁。
  1.1.2 研究意义
本课题主要是对盾构空洞引起地层移动研究的模型实验，直观地反映了盾构空洞对地层移动的影响。通过空洞的变形过程、地层的沉降情况以及对地表建筑物的破坏，其中主要对建筑物的倾角、地层的沉降宽度以及空洞的大小与地层的沉降量进行了具体的对比和分析，从而发现一些新的现象和规律，为建立新的计算分析模型和预防措施的制定提供重要的依据。这对于浙江省以及我国隧道工程建设和可持续发展都具有重要意义。
1.2研究现状综述
  1.2.1 相似材料模型试验发展现状
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。根据它们的特点可分为：（1）按模拟范围大小，分为地壳构造机理模型和工程地质力学模型；（2）按维数，分为二维和三维模型，二维模型中又可分为平面应力和平面应变问题；（3）按制模方式，分为大块体和小块体，或现筑式和预制式模型；（4）按试验性质，分为应力模型、强度破坏模型和稳定模型这些模型可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系建筑物的相互影响，可与数学模型相互验证。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据与数值方法相比，它们比较直观，可以在一个模型中模拟较多地质构造和较复杂的建筑物，而避开了数学和力学上的困难，将模型加载到完全破坏。从上世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。上世纪60年代，以lli为首的专家在意大利结构模型 试验所开创了工程地质力学模型试验技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段[7]。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内，从上世纪70年代开始，长江科学院、中科院武汉岩土力学所、清华大学、河海大学、中国水利水电科学研究院、华北水利水电学院、武汉水利电力大学等单位，结合大型水利工程中坝基或坝肩稳定问题，隧道围岩稳定性问题先后开始试验，如葛洲坝、龙羊峡、三峡、铜街子等工程出现的抗滑稳定问题进行了大量的试验工作，取得了一大批研究成果[8]。
  1.2.2 盾构空洞的研究现状
目前处理盾构空洞的方法主要是盾构同步注浆。它是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进、尾盾脱离、空隙形成的同时进行的注浆工作。注浆在盾尾空隙形成的瞬时及时填充，以保证围岩同支护管片结合的紧密性，从而使周同岩体及时得到支撑，可以防止土体的坍塌，控制地表的沉降[12]。从国内外公开发表的文献来看，目前尚没有切实可靠的检测手段。就如像当前的上海地铁隧道施工中，仅仅依靠施工中的控制手段但是在注浆过程中难免存有大量空洞，人们对于它的认识也仅限于定性分析,缺乏对病害形成过程及机理进行深入分析和量化研究。
隧道工程中空洞病害几何形状一般不规则,病害分类与量化方法利用空洞的长、宽、深三维几何尺度表征三维模型空洞的几何特征;对于二维模型,可忽略空洞沿洞向长度的影响,仅用空洞的宽度和深度表征病害的几何特征,利用平面应变的方法模拟衬砌背后空洞对衬砌和围岩相互作用的影响[13]。
在通常的隧道结构中, 空洞的大小是非常不规则的, 而且其中的应力分布也是非常复杂的问题, 其不仅与隧道的结构设计尺寸、开挖方法、支护施作时间、辅助施工措施等因素有关, 而且还与隧道的工程地质条件、隧道埋深等因素密切相关。
1.3本文的研究内容和方法
1.3.1 本文的研究内容
在相似材料配比研究方面,相似材料骨料由细沙（黄沙、黑沙、红沙）、水组成，隔水材料主要是机油，装水的袋子是封口袋（具有良好的密封性）。采用在衬砌（管片）顶部放置不同装水量和不同角度的水袋，来模拟同一位置不同状态的盾构空洞对地层移动的影响。
通过模型试验研究在空洞逐渐缩小的条件下，地层的沉降情况和规律，了解沉降槽的形成过程、地表建筑物的破坏情况。
1.3.2 本文的研究方法
本文将按照模型试验的相似原理选用合理的模型材料，使其基本与自然状态下相似，以满足试验的要求和客观性。
根据以往的经验拟采用的相似骨料为细沙、水，隔水材料为机油，装水用封口袋。
模型试验方面根据所提供的现场场地条件，并加快试验的速度，拟采用现制的方法制作整体模型。
2.模型试验的基本理论及相似比的确定
2.1 引言
自然界一切物质体系中，有各种不同的变化过程。几个物理现象相似，是指几个物理体系的形态和某种变化过程的相似。通过对一种现象的研究去了解与其变化的数学规律相同而物理性质不同的另一种现象，称为“模拟”。通过试验与理论研究，人们已经发现某些物理现象中各物理量之间的函数关系，即物理定律。但对另外一些物理现象，目前无法找到各物理量之间的函数关系。对于后一种现象的模拟要用量纲分析方法。对已找出物理定律的物理现象，则应在模型上重现这个物理定律[9]。
模型试验的主要步骤为:相似条件的确定、模型材料的选择、模型制作、量测及成果分析。
2.2 模型试验的相似理论
本次试验按弹性阶段相似的原则进行，具体的相似关系按相似理论进行推导。
相似理论由三个相似定理构成核心内容。
相似第一定理（又称相似正定理）是由别尔特朗确定的，表述为“彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判据的数值也相同”。由此，可以用相似判据把相似现象中对应的物理量互相联系起来，便于将试验结果正确转换到与其相似的原型上。
相似第二定理（又称π定理）是俄国人费吉尔曼和美国人布海金提出来的内容为“当一现象有n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含m种基本量纲时，则能得到（n-m）个相似判据”。可以用下述函数关系描述：
一般物理方程f(x1，x2，x3，…，xn)=0
按照相似第二定理，可改写成：
这样把物理方程转化为判据方程，而不必利用相似指标导出相似判据，使问题得以简化。
相似第三定理（又称相似逆定理）是原苏联人基尔皮契夫[10]提出的，其内容是“凡具有同一特性的现象，当单值条件（系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等）彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等，则这些现象必定相似” [11]。
相似第一定理和相似第二定理是判别相似现象的一个很重要的法则，这两个定理确定了相似现象的基本性质。但它们都是在假定现象相似的基础上导出的，未给出相似现象的充分条件，所以还不是判别全部相似性的法则。而相似第三定理则确定了现象成为相似的必要的和充分的条件。
如何获取相似判据，可以采用两种方法。当能够得到正确的描述物理现象的方程式时，不论该方程式本身是否有解，对其进行相似常数的转换，可以推导出相似判据，并且该判据常常比较明显地表示一定的物理意义。这种方法称之为用分析方程法求相似判据。
有时当问题过于复杂、且无法用分析的方法建立方程式时，就无法用分析方程法求相似判据，这时量纲分析法成为相似判据的唯一方法。该方法是根据方程式量纲原理进行的，并不要求建立所描述物理现象的物理方程式，只要求确定哪些物理量参加所研究的现象，以及明确量测这些量的单位系统的量纲。但是，量纲分析不能控制无量纲两，不能考虑单值条件，不能区别量纲相同、但在关系方程式中有着不同物理意义的量。
2.3 模型试验相似比的确定
  2.3.1 几何相似比的确定
工程原型是盾构机挖掘的地铁隧道，隧道埋深约为6m，管片直径为6m。采用试验室现有模型箱完成实验，圆筒筒顶离模拟试验的地表层距离约为30cm，管片模拟桶尺寸为30cm，因此几何相似比为20。
 2.3.2 重度相似比的确定
本次模型试验的重度相似比为1。
  2.3.3 试验方案
(1)模型箱结构与尺寸

         
                      图1    模型箱正面

         
                       图2    模型箱侧面

本次模型试验的模型箱结构见图1和图2。模型箱的长为1m，宽为0.5m，高为1.4m，试验 圆筒筒径的净空尺寸为30cm。在使用前，需要在模型箱的各个接边处用玻璃胶进行再次密封，以防止在试验过程中漏水。在模型箱的四周用槽钢进行加固，以防止在试验中由于土压力过大，使模型破裂，保证整体模型的稳定性。在圆筒的适当位置用转孔机打上恰当数量和恰当位置的孔（见图3），便于在试验过程中放水。
          
                         图3    孔洞
(2)试验的相关材料
图4为本次模拟试验使用的填埋材料黄沙，一共使用了18袋。  图5为本次模拟试验使用的彩沙，目的是能够更清楚地观察地层的移动。图6为本次模拟试验的捣棒，一般来说每填埋3袋黄沙需捣50下。图7为本次模拟试验使用的封口袋，长为32cm，宽为22cm，密封性良好。除了上述外，还有彩色笔、机油、油漆刷、细线、剪刀、烧杯、三角尺、纸板、钻孔机、碧丽珠等。
               
                                 图4    黄沙
 
            
                         图5    黑沙、红沙

            
                               图6    捣棒
 

             
                            图7    封口袋
(3)模型结构
该次模拟试验共3次，除了水袋的摆放角度和用量方面有所不同外，其余各类条件均相同。
第一次试验：使用了两只密封袋，每只密封袋装水量均为2500ml，共5000ml。水袋布置的角度约为60度，先前测量的水袋约高5.4cm，即图8。只在地表层上方铺设了一层黑沙和一层红沙，见图9。
        
                      图8     第一次试验

           
                  图9    第一次试验的彩沙铺设

第二次试验：第二次使用了三只水袋，每只水袋的盛水量为1667ml，加起来约为5000ml和第一次试验相同。但是水袋的布置角度不同，第一次试验是短边靠于壁处，布置的角度约为60度；第二次试验是长边靠于壁处，布置的角度约为80度，先前测量的水袋约高3.5cm，即图10。在水袋上方每隔4cm，分别铺设了一层红沙和黑沙，同时在地层表面铺设了一层黑沙，见图11。
             
                            图10    第二次试验
            
                     图11    第二次试验彩沙的铺设

第三次试验：：第三次使用了两只水袋，每只装水量为1250ml，一共是2500ml，是第一次和第二次试验的装水量的一半。但水袋的布置角度为60度，和第一次试验的角度相同，先前测量的水袋约高2.6cm，即图12。在水袋上方每隔4.5cm，分别铺设了一层红沙和黑沙，同时在地层表面铺设了一层红沙，见图13.

                
                            图12   第三次试验

               
                       图13    第三次试验的彩沙铺设

(1)试验过程
先将整体模型制作完毕，后在圆筒正上方同一位置放置水袋，再在水袋的上方的适当位置和表层铺上红沙和黑沙。当沙填满到指定的高度，试验的准备工作基本完成。用牙签扎破水袋进行放水，在此过程中，由于放水过程比较缓慢，能够清晰地观察到地层随着水袋的缩小而移动，直到水袋里的水放完为止。分次进行三组不同水袋的试验，分别观察和记录现象及相关的数据，并将三次试验进行对比，得出结论。
3.模拟试验  
3.1第一次试验
如图14是第一次试验开始前的情况。
  
                                      图14
如图15和16是第一次试验结束后的情况。
   
                                        图15
                  
图16

试验表明：地表出现明显的沉降槽，模拟建筑物的纸板已经的倾斜角达30度。地表沉降槽最深沉降为4cm，波及到的地表沉降槽宽度约为17cm。
发现的问题：(1)在试验过程中，由于捣得太实，沙和整体模型的壁的摩擦太大，使试验在进行过程中的变化不是很均匀，很明显。(2)在铺设彩沙之后，没有用三角尺为其整平，这就无法很好的反映空洞对地层地表的影响。
3.2第二次试验
对第一次试验的优化：(1)用碧丽珠对整体模型的壁进行打磨，并且减少捣沙的次数，以减小沙和壁的摩擦力。（2）第一次试验只在地表铺设彩沙，第二次试验还在水袋上方铺设了两层，并且对每一层都进行了整平。

如图17是第二次试验开始前的情况。
                          
   图17

如图18和19是第二次试验结束后的情况。
  
                                        图18
                     
   图19

试验表明：地表出现明显的沉降槽，模拟建筑物的纸板的倾斜角达20度。地表沉降槽最深沉降为3.3cm，波及到的地表沉降槽宽度约为31cm。通过测量得出上方的黑层的沉降量为3.2cm,波及到该层的宽度为24cm；下方的红层的沉降量为3.2cm，波及到该层的宽度为22cm。纵观两彩沙层可以得出地层的最大沉降量在各层基本相同，但波及地层的宽度是从空洞到地表逐渐扩大，呈中间宽两边小的台阶形向上延伸。
发现的问题：水袋由于封口袋自身的原因导致最两侧的边缘部分向上翘起，这就使少部分水无法排出去，且由于向上翘起对沉降波及各地层的规律性产生一定影响。
3.3第三次试验
对第二次试验的优化：埋土时将封口袋的最两侧向上翘起部分尽量紧贴圆筒。

如图20是第三次试验开始前的情况。
                
  图20

如图21是第三次试验结束后的情况。
  
图21

试验表明：地表出现明显的沉降槽，但相对第一次和第二次试验要小很多。模拟建筑物的纸板的倾斜角达10度。地表沉降槽最深沉降为2.5cm，波及到的地表沉降槽宽度约为22cm。通过测量得出上方的黑层的沉降量为2.5cm,波及到该层的宽度为17.5cm；下方的红层的沉降量为2.5cm，波及到该层的宽度为17cm。纵观两彩沙层可以得出地层的最大沉降量在各层仍基本相同，波及地层的宽度是仍从空洞到地表逐渐扩大。由于对最两侧向上翘起边的处理，较第二次的台阶式延伸，第三次试验更接近曲线进行延伸。
4.结论与展望
4.1结论
(1)本次试验的整体模型长1米，高1.4米，宽0.5米，是理想的试验模型。
(2)试验使用了黄沙作为围岩材料，水和封口袋的组合作为盾构空洞，机油作为隔水材料。恰当的相似材料配制，使得试验更接近于现实工程中的隧道。
(3)通过三次试验对比可以得出：当水袋水量相同布置角度不同时，布置角度越大，地表沉降槽的最大沉降越小，波及到地表的沉降槽的宽度范围越大，对地表建筑物的影响则越小；当水袋水量不同布置角度相同时，水袋水量越大，地表沉降槽的最大沉降越大，波及到地表的沉降槽的宽度范围越小，对地表建筑物的影响则越大。并且地层的各层间的沉降量基本保持相同，波及地层的宽度是从空洞到地表逐渐扩大，且接近于曲线进行延伸。
4.2展望   
(1)在隧道空洞检测方面，由于条件原因，检测内容也比较单一，不能更全面的掌握各方面的规律，在以后的试验中有待加强检测空洞的能力。
(2)此次模型试验对空洞的研究只是在筒的正上方，可以在不同的位置设置不同状态的空洞，来研究它们对地层移动的不同影响。
(3)在装水袋的过程中难免会有不同体积的空气进入水袋，这对试验的准确性造成一定的误差，在以后的试验中，应尽量将水袋中的空气排尽。
 

致  谢
本文是在导师杨建辉教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、开题和脱稿都离不开老师的心血。虽然仅短短的几个月，但老师在学业上给予我巨大的帮助。衷心感谢老师在这几个月与我一起在实验室同甘共苦。
感谢与我一起做试验的低年级同学们的帮助与支持。
最后，感谢所有关心、支持和帮助过我的人。

参考文献
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