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地铁穿越极浅埋软弱地层预加固方法与稳定性分析

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摘要

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 浅埋软弱地层隧道开挖稳定性研究现状

1.2.2 注浆材料研究现状

1.2.3 发展趋势及存在的主要问题

1.3 主要研究内容与方法

1.4 研究技术路线

第二章 浅埋软弱地层暗挖隧道建设研究

2.1 浅埋软弱地层隧道开挖工法研究

2.1.1 台阶法

2.1.2 双侧壁导坑法

2.1.3 CD法

2.1.4 CRD法

2.2 浅埋软弱地层隧道稳定性超前支护技术研究

2.2.1 小导管

2.2.2 管棚法

2.3 极浅埋软弱地层隧道超前注浆预加固控制技术研究

2.3.1 隧道深浅埋划分标准研究

2.3.2 极浅埋软弱地层隧道超前预加固设计理念

2.3.3 极浅埋软弱地层隧道超前预加固方法

2.4 本章小结

第三章 极浅埋软弱地层预加固材料试验研究

3.1 试验方案设计

3.1.1 依托工程

3.1.2 试验研究内容

3.1.3 试验方案设计

3.2 磷酸-水玻璃注浆材料室内试验

3.2.1 酸性水玻璃凝胶机制

3.2.2 磷酸-水玻璃浆液凝胶性能试验

3.2.3 磷酸-水玻璃砂土固结体力学性能试验

3.3 水泥-水玻璃注浆材料室内试验

3.3.1 水泥-水玻璃浆液凝胶性能试验

3.3.2 水泥-水玻璃砂土固结体力学性能试验

3.4 本章小结

第四章 数值模拟试验研究

4.1 FLAC3D简介及特点

4.1.1 软件简介

4.1.2 计算模块

4.2 试验设计

4.2.1 试验目的

4.2.1 试验内容

4.3 模型建立与计算

4.4 无预加固隧道模型数值计算结果与分析

4.4.1 初始平衡

4.4.2 竖向位移

4.5 预加固隧道模型数值计算结果与分析

4.5.1 竖向位移

4.5.2 竖向应力

4.5.3 洞内收敛

4.5.4 合理加固圈厚度的确定

4.6 优化开挖步距数值计算结果与分析

4.6.1 竖向位移

4.6.2 洞内收敛

4.6.3 合理开挖步距的确定

4.7 本章小结

第五章 工程应用与现场试验

5.1 石老人站人行通道工程概况

5.2 工程与水文地质

5.3 超前注浆预加固地层现场试验

5.3.1 注浆预加固方案设计

5.3.2 注浆预加固施工

5.3.3 地表变形监测与数据分析

5.4 隧道开挖现场试验与监测数据分析

5.4.1 拱架应力监测

5.4.2 地表及地下管线变形监测数据分析

5.4.3 洞内收敛监测

5.5 本章小结

6.1 主要结论

6.2 展望及后续研究

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及参与项目

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摘要

随着城市化进度加快,城市轨道交通的建设逐渐成为解决城市交通拥堵、交通事故多发等问题的有效手段,并且能大幅提高城市的运转效率,使城市更加富有活力,给城市带来更大的发展空间并给城市居民提供更好的生活工作条件。在城市地铁建设过程中,地铁主体结构以及其附属结构设计埋深极浅,地层条件差,并且地下管线及地表道路、城市建筑环境复杂,给地铁建设带来了极大的困难,现有的隧道开挖工法及支护手段不能很好的保证隧道开挖的稳定性和安全性。本文针对城市地铁建设过程中穿越极浅埋软弱地层,通过室内试验研究不同预加固材料的加固效果特性;通过数值模拟及现场试验,以地表变形、洞内收敛、支护内力等为研究指标,深入研究城市地铁建设过程中穿越极浅埋软弱地层条件下隧道开挖预加固方法及其稳定性,本文主要工作及创新成果如下:
  (1)通过浅埋暗挖隧道开挖工法和超前支护方法的分析研究,并基于普氏压力拱理论提出在极浅埋软弱地层隧道施工中进行全断面超前注浆预加固方法,提出在极浅埋软弱地层暗挖隧道施工中应采用CRD开挖工法,大管棚、小导管、全断面超前注浆预加固支护控制方法,保证隧道开挖的稳定性。
  (2)通过材料研发试验,研究新型磷酸-水玻璃和水泥-水玻璃注浆材料的凝胶性能和砂土加固体的物理力学性能,研究结果表明:磷酸-水玻璃浆液配比及凝胶时间易调控,工程应用中应选用pH值在4~5之间、凝胶时间在15min~1h的配比,固砂体强度较低;水泥-水玻璃材料凝胶时间可控,并具有较高的强度。
  (3)数值模拟试验研究表明:在极浅埋软弱地层条件下超前注浆预加固设计加固圈厚度在2~3m时,隧道拱顶竖向位移、地下管线竖向位移、地表竖向位移、侧壁收敛符合相关规定标准,能保证在隧道开挖及支护过程中隧道结构和围岩的稳定性。
  (4)数值模拟试验研究表明:在极浅埋软弱地层条件下CRD开挖工法设计开挖步距在0.8m时,隧道拱顶竖向位移、地下管线竖向位移、地表竖向位移符合相关规定标准,隧道施工时长为0.5m开挖步距方案的62.9%,能保证在隧道开挖及支护过程中隧道结构和围岩的稳定性,并能大幅提高施工效率和工程效益。
  (5)依托青岛地铁2号线石老人站B出口人行通道超前注浆预加固及开挖现场试验,选用2m加固圈厚度和磷酸-水玻璃和水泥-水玻璃复合注浆材料进行超前注浆预加固施工,并采用CRD开挖工法,现场试验各项监测数据表明该施工方法适用于极浅埋软弱地层隧道施工。

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