论文题目：地铁隧道EPB盾构施工关键技术及其在工程中的应用
摘要：土压平衡盾构机（简称EPB盾构机）经过六十多年的发展与成长,以其独特的优势已广泛用于世界各地的地铁隧道工程中。由于城市内轨道交通网络建的设计形式、规划、修建和盾构施工关键技术的特点,盾构掘进施工引起的地表沉降是十分普遍的现象,如何保护盾构施工安全、临近建筑物和控制地表变形成为盾构施工必须解决的技术问题。越南作为地下建筑工程发展较晚的国家,现今对于盾构隧道施工技术,特别是对城市地铁盾构隧道施工技术研究甚少,对于其理论分析及实践应用研究更是微乎其微。因此,作为一名地下建筑工程专业的越南国际留学生,有必要结合自身专业知识水平和国家实际工程问题,对越南地下建筑工程中的土压平衡盾构机进行系统的研究,该研究不仅具有巨大的社会、经济价值,而且较好的发展前景。本文以胡志明（HCM）地铁一号线施工项目为工程背景,对土压平衡盾构施工引起的地表沉降和控制措施进行了分析与研究。重点研究内容如下:（1）对盾构施工关键技术及盾构施工引起的地表沉降相关问题的研究方法进行总结,分析国内外研究现状、发展趋势和存在的主要问题。介绍了土压平衡式盾构机的起源、在地下工程中的应用范围、发展情况和趋势,进而探讨了土压平衡式盾构机工作原理,包括掘进、排土、管片安装等作业;分析了土压平衡式盾构机的典型构造及选型主要依据和因素;简述了EPB式盾构机施工关键技术及常见问题:盾构始发、正式掘进和到达三个阶段的施工技术;隧道衬砌管片的设计原理、生产模式和拼装技术;施工中监控测量技术;盾构施工中常见问题及解决方法等,为后续研究工作的展开做了充分的铺垫。（2）系统研究了土压平衡盾构施工过程中引起的地表沉降机理:沉降时间与空间效应、沉降曲线原理,同时分析了盾构施工致使地层变化与地表沉降主要原因,得出了一些有意义的结论。（3）分析盾构施工引起的地表沉降现场观测,监测工作的目的和监测方案制定的依据,提出本工程的监测内容和监测范围。建立了盾构施工引起的地表沉降数值模拟模型。针对实际工程情况,采用经验类比预测方法,分析了盾构施工过程中对周围土体的影响,提出了影响的特点、影响的范围、影响的发展过程和估算方法。通过对类似工程经验类比预测的总结和数值模拟预测、现场监测的计算结果分析进行了总结,提出了隧道动态掘进时引起地表的变形规律。（4）分析了盾构施工引起的地表沉降控制措施:注浆作业速度与时间、盾构机改造、掘进参数的确定、减少与防治地层的扰动、加强对盾尾空隙下沉和隧道埋深的控制、加强对水下水位的监测工作、减少地表荷载、掘进方向控制、管片安装控制等。并对上述措施进行了总结,初步提出控制的措施,制定盾构施工中保护措施。（5）分析了本工程案例的情况:工程环境、工程地质和水文地质、工程特点和工程施工难点、施工组织与管理、掘进前盾构机检查、实验段掘进参数、正式掘进过程中的控制、应急处理措施等,运用Plaxis 3D Tunnel数值模拟软件进行模拟,根据实际的施工流程进行模拟计算,分析隧道动态掘进时引起地表的变形规律,结合工程案例的实测数据进行对比分析;同时系统研究了EPB盾构机在越南地铁隧道工程的应用效果,获取了对实际工程设计与施工有着指导意义的研究成果,为今后类似工程提供了借鉴。最后,评价了EPB盾构机在地铁建筑工程中的应用效果,证实了EPB盾构机在越南地铁隧道工程中的适用性和经济效益。论文基于EPB盾构工作原理总结了盾构法施工工法,研究了EPB盾构施工关键技术与盾构施工引起的地表沉降机理及盾构施工致使地层变化与地表沉降主要原因,研究并提出了EPB盾构施工引起的地表沉降的控制技术措施,利用了三维有限元软件Plaxis 3D Tunnel对影响地表沉降的多种因素进行了分析,同时结合越南胡志明地铁一号线项目进行了EPB盾构的工程应用研究。主要研究结论如下:（1）土压平衡盾构具有地层适应性广、作业安全、掘进速度快、对环境影响小、工程造价较低及设备昂贵等特点,故一台盾构机往往在不同标段进行二次或多次应用。论文提出地铁隧道工程的应用范围结合EPB盾构发展情况与趋势,以满足不同领域工程的需求,同时进行十分了解EPB盾构掘进原理、盾构机构造及盾构选型的依据。（2）论文简述了EPB盾构机施工关键技术,找出了盾构施工中最常见问题,然后提出解决方法确保盾构安全施工和施工质量,为后续研究工作提供了借鉴。（3）本文系统研究了盾构隧道施工引起的地表沉降的五大阶段,分别是先行沉降、开挖面前的沉降、通过时的沉降、盾尾过后的沉降（盾尾间隙）及后续沉降（后续固结沉降）。再次结合工程案例收集与实际工程观测结果、预算结果进行对比,结果显示本工程的横断面沉降曲线跟Peck公式的理论曲线基本一致。（4）对于地铁隧道EPB盾构施工引起的地表沉降控制措施,本文针对EPB盾构施工时引起的地表沉降问题展开分析讨论,并提出相应的主要控制措施,为今后工程实际提供了参考。（5）根据胡志明地铁一号线盾构施工的具体情况,建立了EPB盾构掘进施工过程中的各种参数模型,对胡志明地铁一号线东侧线开挖后引起地表横向变形结果进行分析,结果表明:数值模拟计算的结果和现场实测的数据是非常吻合,总体的地表变形趋势和性态上相差不大,这说明在施工参数相同的情况下数值模拟是可靠的。因此,利用Plaxis 3D Tunnel程序对EPB盾构隧道工程施工过程中引起的地表沉降进行模拟,如输入计算的参数准确,则算出来的结果是可信的。同时,隧道埋深越大（H/D≥3以上）盾构施工引起的沉降值越小、地表越稳定,施工会比较安全。论文以“地铁隧道EPB盾构施工关键技术及其在工程中的应用”为主题,围绕EPB盾构施工关键技术和施工过程中对周围土体的影响、引起的地表沉降两个关键科学问题,应用“收集和分析类似的工程实例”、“数值模拟方法”、“现场实测与论证”等综合研究方法,展开全面和系统的研究。论文研究的主要效应及前景如下:（1）论文对EPB盾构施工关键技术和安全技术管理、施工过程中引起的地表沉降预测与控制措施等方面的研究,使企业不仅了解了在盾构穿越过程中存在的风险,而且明确如何改进工程安全穿越状况,减少土压平衡盾构施工对岩土体结构的影响,有效控制施工的成本和施工的工期,提高越南胡志明地铁一号线盾构施工单位的经济效益和社会效益。（2）土压平衡盾构机是一项非常先进的施工生产系统,包括盾体、刀盘及驱动系统、推进及铰接系统、盾尾密封系统、螺旋输送机和皮带输送机、管片吊运和拼装系统、人闸及气压调节系统等一系列的复杂系统。由于该系统的复杂性,在一个实际的工程项目中需要提供最新的施工关键技术和安全管理指导。本文对胡志明地铁一号线穿越段地质条件模型、地表沉降观测与岩土体结构变形模型和EPB盾构施工技术参数模型展开全面的研究,提高了EPB盾构施工的技术水平,丰富了EPB盾构施工的技术理论和临近建筑物工程与周围土体变形的保护措施。（3）在来自亚洲开发银行（ADB）、欧洲复兴开发银行（EBRD）、中国、日本、法国、德国、韩国、意大利、英国等外国投资和帮助下,2008年在越南河内首都和越南胡志明市开始建设城市轨道交通网路。2017年,胡志明地铁一号线地下标段正式开工。到2018年,河内地铁三号线也正式开工。在未来的计划中,胡志明市建设8条地铁隧道、总长度约169km,河内市建设8条地铁隧道、总长度约318km。尤其越南河内市和胡志明市的条件都是沿江城市,对于EPB盾构机应用范围特别广。选取该题目作为攻读博士研究生的研究题目,除了普通的科学研究意义之外,还包含一个特殊的意义—研究成果将会应用在笔者祖国越南的地铁隧道项目。
关键词：胡志明地铁一号线;EPB盾构机;工作原理;地表沉降;控制措施;数值模拟
学科专业：土木工程
作者简历
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究目的和意义
1.1.1 研究目的
1.1.2 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内(越南)研究现状
1.2.3 发展趋势
1.2.4 存在的主要问题
1.3 主要研究内容和特色
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 主要特色
1.4 研究方法与技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
第二章 EPB盾构机工作原理
2.1 EPB盾构机简介
2.1.1 EPB盾构介绍
2.1.2 EPB盾构机的应用范围
2.1.3 发展趋势
2.2 EPB盾构机工作原理和构造与选型
2.2.1 EPB盾构机的工作原理
2.2.2 EPB盾构机构造
2.2.3 EPB盾构机的选型
2.3 本章小结
第三章 EPB盾构施工关键技术及常见问题
3.1 EPB盾构施工关键技术
3.1.1 EPB盾构施工流程
3.1.2 EPB盾构始发和到达与正式掘进技术
3.1.3 EPB盾构管片设计和生产与安装的关键技术
3.2 EPB盾构机施工监测技术和碴土改良技术
3.2.1 EPB盾构机施工监测关键技术
3.2.2 碴土改良技术
3.3 EPB盾构施工中常见问题及解决方法
3.4 本章小结
第四章 地铁隧道EPB盾构施工引起的地表沉降观测与预测
4.1 地铁隧道EPB盾构施工引起地表沉降机理研究
4.1.1 地层沉降时间效应
4.1.2 地层沉降的空间效应
4.1.3 EPB盾构施工产生地表沉降曲线分析
4.1.4 EPB盾构施工地基变化与地表沉降主要原因
4.2 地铁隧道EPB盾构施工引起的地表沉降现场观测
4.2.1 监测方案与数据采集
4.2.2 类似工程案例收集
4.2.3 本工程经验类似分析
4.2.4 观测结果及分析
4.3 地铁隧道EPB盾构施工引起的地表沉降数值模拟预测
4.3.1 数值模拟方法
4.3.2 数值模拟计算及计算结果分析
4.3.3 Peck公式经验预算(横向沉降)
4.4 本章小结
第五章 地铁隧道EPB盾构施工引起的地表沉降控制措施
5.1 加强注浆速度与压力和注浆作业时间的控制
5.1.1 加强注浆速度的控制
5.1.2 加强注浆压力的控制
5.1.3 控制好注浆作业的时间
5.2 科学合理掘进参数和减少地表的荷载
5.2.1 科学合理的掘进参数
5.2.2 减少盾构施工范围的荷载
5.3 减少盾构施工过程中对地层的扰动和加强对围岩扰动的防治
5.3.1 减少盾构施工过程中对地层的扰动
5.3.2 加强与防止周边土体扰动
5.4 加强控制盾尾间隙下沉和隧道埋深及地下水位
5.4.1 加强对盾尾空隙下沉的控制
5.4.2 加强对隧道埋深的控制
5.4.3 加强对水下水位的监测工作
5.5 EPB盾构施工中的其他控制措施
5.6 本章小结
第六章 EPB盾构施工在越南地铁隧道工程中的应用
6.1 工程概况
6.2 工程地质和水文地质情况
6.3 工程特点及难点
6.4 EPB盾构施工引起的地表沉降数值模拟预测
6.5 EPB盾构施工中的控制措施
6.6 EPB盾构施工中外加剂使用技术
6.7 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
附件
附件1 盾构机技术基础词汇
附件2 盾构机相关的参数和图纸