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作者：

吴志强

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摘要：

盾构法以其施工速度快,对周围环境影响小,施工安全性高,施工质量优良等优势,在城市隧道修建中扮演着越来越重要的角色,特别是泥水平衡盾构,近年来逐渐成为跨越江河湖海等水下隧道建设的首选施工方法.但随着盾构直径的增大,以及开挖地层的不确定性和地表环境复杂性,水下大直径盾构施工风险极高,容易出现各类风险事件,特别是在浅埋地层的安全问题尤为突出.因此,复杂地层条件下的水下大直径浅埋盾构隧道施工安全是我国隧道工程建设过程中需要重点关注和研究的基础性课题.本文以某复杂环境下的水下大直径浅埋盾构隧道为工程背景,从资料调查,理论分析,数值模拟以及工程应用等手段,针对泥水盾构穿越江底掘进时的一系列高风险安全问题展开了系统深入的研究,为该隧道安全施工提供了理论科学依据,确保了隧道安全顺利贯通.主要研究内容如下:(1)基于正态云模型与熵权法,提出了一种能够反映水下盾构隧道施工前期风险水平的评估模型.从影响越江盾构隧道施工安全的河流因素,隧道设计因素,水文地质因素,外部环境因素及施工管理因素等方面,构建了能够全面反映水下盾构隧道风险影响因素的指标体系,并给出了各指标在不同风险水平下的量值范围.结合正态云模型方法,有效地兼顾了风险评估过程的随机性不确定性和模糊性不确定性;结合熵权法,考虑了评估数据自身规律性来确定指标的权重系数,避免了专家赋权法的主观性.(2)搜集了36起近些年来国内盾构隧道掘进过程中的施工技术风险事故,统计得到了盾构隧道施工技术风险事故的发生时间,事故情况,事故类型及产生的直接原因.结合该水下大直径浅埋盾构隧道施工的工程地质条件,水文地质条件,不良地质,隧道施工方法以及施工重难点,确定了该隧道盾构掘进施工过程中穿越大堤段,浅埋段,岩溶段的风险源.结合风险评估模型,确定了该盾构隧道施工安全风险等级为Ⅱ级.(3)结合数值模拟方法,以隧道施工过程中隧道的稳定以及地表变形控制为指标,并考虑工程成本问题,模拟了不同水灰比和不同加固范围的地层加固方案对浅覆土水下隧道盾构穿越河漫滩施工安全的影响,并通过对比分析不同控制方案,确定了考虑施工安全和施工成本的最佳地层加固方案.(4)构建了平行双线隧道穿越岩溶区的三维数值模型,分别从岩溶洞空间位置,岩溶洞空间形状以及多岩溶洞的角度分析了岩溶洞对隧道结构和受力的影响.得到了岩溶洞不同位置的风险大小的排序:下伏岩溶洞风险侧向岩溶洞风险两线轴线岩溶洞风险上卧岩溶洞风险;研究了岩溶洞洞高和洞宽对隧道结构受力的影响,表明洞高的溶洞对隧道结构变形受力影响大于洞宽的溶洞.针对岩溶处置问题,提出了半填充和未填充溶洞采用吹砂夹石+静压灌浆的方法;对填充物密实度在中密以下的全填充溶洞采用静压灌浆的方法.(5)基于极限分析方法,构建了高水压透水地层盾构隧道开挖掌子面极限推力被动失稳破坏的"圆弧体+倒棱台"型模型.根据静力学及条分法原理,推导了掌子面极限推力的求解公式.通过有限差分软件,构建了高水压透水地层盾构隧道开挖有限差分计算模型,计算得到了三个等级掌子面推力情况下,掌子面前方土体的滑动失稳情况,并验证了本文提出的"圆弧体+倒棱台"型计算模型的正确性.(6)采用数值方法分析了埋深,水位高度,渗透系数对掌子面极限推力的影响;基于稳定系数法,分析对该盾构隧道掌子面失稳风险量化等级;采取有效土体泥水配比加固,同步注浆抗浮和优化掘进施工参数,可靠地建立了盾构泥水平衡体系,有效降低了盾构开挖过程中的风险,保证盾构隧道施工掘进过程中的安全性.

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