大直径泥水平衡盾构施工过程中地层变形特征及地表沉降预测研究

论文摘要

盾构施工过程对地层变形的影响以及沉降的控制和预测是目前大直径泥水平衡盾构隧道施工中比较关心的问题。本文以新郑机场至郑州南站城际铁路泥水平衡盾构隧道为背景,在对现场施工及监测数据分析的基础上,研究了盾构施工过程对地表沉降的影响以及预测方法,主要内容和成果如下:(1)本文通过分析施工过程中地表沉降的监测数据,研究了盾构造成的地表沉降的变形特征,针对某些区间发生地表隆起和沉降过大的原因进行了分析。本工程大直径泥水平衡盾构施工过程中的地表沉降总体上控制较好,90%以上测点的最大地表沉降值小于10mm。个别点出现地表隆起的原因是刀盘结泥饼,刀具严重磨损,导致盾构机推力等参数过大,对盾构机前方土体造成了过度挤压;地表沉降最大值为17.7mm,是由于较长时间的停机换刀工作对盾构机上方砂土层造成了过大的扰动。(2)本文通过分析盾构施工参数和沉降监测数据,研究了在泥水平衡盾构施工中应用的辅助气压掘进法的效果,总结出了辅助气压法的优点和应用中的注意事项。辅助气压掘进法是将盾构机开挖仓与气垫仓联通,使开挖仓和气垫仓形成上部是压缩空气,下部为压缩泥浆的状态,通过调节气压值来平衡掌子面压力。分析了辅助气压掘进法应用过程中掘进速度、盾构机推力和刀盘扭矩等参数,发现该方法可以有效的提高掘进速率,减少刀盘泥饼,并达到对地表沉降较好的控制效果,辅助气压掘进法可应用于在稳定性较好的地层中的泥水平衡盾构施工。(3)本文采用FLAC3D软件对大直径盾构下穿南水北调干渠工程进行模拟,研究了盾构施工过程中干渠结构变形和内力,分析了干渠结构的安全性。通过与实测数据对比可以发现,数值模拟结果与实测数据基本一致,在盾构下穿过程中干渠结构安全,数值模拟对盾构施工的实际情况有较好的反映。盾构施工对干渠结构竖向沉降影响较为显著,对干渠结构水平位移的影响相对较小,最大沉降值为6.5mm,发生在隧道正上方渠底;干渠结构最大主应力为1.9MPa,小于C50混凝土抗拉极限强度,最小主应力为压应力7.2MPa,小于C50混凝土抗压极限强度。(4)本文利用遗传算法对BP神经网络的权值和阈值进行优化,并将优化后的神经网络模型应用于盾构隧道地表沉降的动态预测中,取得了较好的预测效果。综合考虑了压缩模量、泊松比、密度等7个地质参数和埋深、掘进速度、推力等6个施工参数对地表沉降的影响,利用遗传算法对BP神经网络的初始权值和阈值进行筛选,并通过试验选择了合适的交叉率和变异率。动态预测结果显示,遗传算法优化的BP神经网络模型能够对盾构隧道轴线地表沉降进行较好预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 泥水平衡盾构施工参数控制的研究现状
•     1.2.2 盾构施工工程中地表沉降预测技术的研究现状
•     1.2.3 大直径盾构隧道穿越既有结构的研究现状
•   1.3 研究目的及内容
•   1.4 技术路线
• 第二章 工程概况
•   2.1 引言
•   2.2 工程简介
•   2.3 地质条件
•     2.3.1 气象与水文地质条件
•     2.3.2 工程地质条件
•   2.4 工程主体结构类型
•     2.4.1 工程主体
•     2.4.2 隧道结构
•     2.4.3 南水北调中线干渠结构
•   2.5 盾构机选型分析
•     2.5.1 盾构机类型和选型标准
•     2.5.2 本工程盾构选型及盾构机系统简介
•   2.6 工程关键技术特点
•   2.7 本章小结
• 第三章 盾构施工现场监测数据分析
•   3.1 引言
•   3.2 现场监测方案
•     3.2.1 人工监测方案
•     3.2.2 自动化监测方案
•   3.3 地表沉降理论介绍
•     3.3.1 地表横向沉降理论
•     3.3.2 地表纵向沉降理论
•   3.4 现场监测数据分析
•     3.4.1 盾构施工对地表沉降影响分析
•     3.4.2 盾构施工对干渠沉降影响分析
•     3.4.3 盾构施工参数分析
•   3.5 辅助气压掘进法在泥水平衡盾构中的应用
•   3.6 本章小结
• 第四章 盾构隧道下穿南水北调干渠施工影响分析
•   4.1 引言
•   4.2 数值模型建立
•     4.2.1 数值模型概述
•     4.2.2 数值模型尺寸
•     4.2.3 本构模型
•     4.2.4 材料参数及边界条件
•     4.2.5 数值模拟过程
•   4.3 数值模拟结果分析
•     4.3.1 数值模拟结果
•     4.3.2 数值模拟结果与实测结果对比分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 遗传算法优化BP神经网络模型预测地表变形
•   5.1 引言
•   5.2 遗传算法优化BP神经网络的原理
•     5.2.1 神经网络原理
•     5.2.2 BP神经网络原理
•     5.2.3 遗传算法优化BP神经网络原理
•   5.3 遗传算法优化BP神经网络模型预测地表变形
•     5.3.1 建立神经网络模型
•     5.3.2 交叉率和变异率对预测结果的影响
•     5.3.3 遗传算法优化BP神经网络模型在施工过程中对地表沉降的动态预测应用
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 崔童

导师: 杜守继

关键词: 泥水平衡盾构,施工影响,数值模拟,沉降预测,遗传算法

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,公路与水路运输

单位: 上海交通大学

分类号: U455.43;P642.26

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001702

总页数: 102

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