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《北京交通大学》 2018年
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地铁隧道施工扰动及其对邻近高速铁路桥桩和线路影响的研究

刘喆  
【摘要】:近年来,我国基础设施行业取得了飞速的发展。其中,以高速铁路、地铁等为代表的基础设施建设在各大、中城市快速展开,大幅提升了物流交通效率。同时也势必会带来不同建(构)筑物在空间上的冲突,若既有建(构)筑物对扰动极其敏感,则对新建工程是极大的挑战。其中,地铁隧道临近穿越高速铁路是这一类研究课题的典型代表。为保证高速铁路的平顺性,有相当比例的高速铁路采用高架桥基础形式。对于隧道临近穿越问题,涉及到隧道、桥梁、轨道等结构复杂的联动效应,论文据此作为研究主线展开分析,得到了以下研究成果:(1)隧道开挖引起土体扰动会造成土体工程性质的变化,基于此,研究首先对土体物理力学性质之间的关系进行了测试分析。分析表明,土体密实度与土体相关力学参数之间有紧密联系。具体表现为:试验土体在密实度越小时,内摩擦角则越小,且粉土的内摩擦角在土体密实度降低时,变化较小,而粘土和砂土变化相对较大;粉土和粘土的粘聚力受土体密实度影响非常明显,在密实度较低时,粘聚力也较低,且密实度对粘土粘聚力的影响高于粉土;在围压相同的情况下,土体密实度越大,各类土体的变形模量也越大。而在土体密实度相同的情况下,围压的增大会提高土体的变形模量。(2)利用土体的三相关系,得到了土体孔隙比和体应变的关系,这为有限元计算隧道开挖引起地层力学参数变化提供了依据。通过计算确定了隧道开挖扰动区域的划分,扰动区域A、B、C分别为平均土体体应变大于3%、1%至3%、小于1%的区域。扰动区域A、B、C的土体体应变、地层沉降、地层水平应力的计算终值相对计算初值都有一定程度差别,其差别程度依次降低。对于隧道开挖引起的土体力学参数变化,主要有:粘聚力在循环计算过程中变化非常明显,且各扰动区域差异较大。内摩擦角整体受扰动改变量远小于粘聚力受扰动改变量。变形模量由于受到地层水平应力水平下降的影响,改变幅度整体大于粘聚力和内摩擦角。(3)隧道开挖对桩基极限承载力的影响主要体现在:当隧道位于桩正下方时,桩端极限阻力大幅降低,桩侧摩阻力也有明显降低。当隧道侧穿时,极限侧摩阻力也同样根据与隧道距离有不同程度的降低。考虑土体力学参数因隧道开挖扰动变化这一因素后,桩基竖向极限承载力下降幅度进一步增大。隧道侧穿对桩基极限承载力影响范围大约为一倍洞径。而隧道下穿对桩基极限承载力影响范围大约为二倍洞径。隧道开挖对桩基受力的影响主要体现在:当隧道位于桩正下方时,桩端阻力随拱顶沉降增大持续减少,甚至可能导致桩端阻力消失,而侧摩阻力则被迫承担更多上部荷载。当隧道侧穿时,隧道开挖将导致桩端阻力不断增加,侧摩阻力减少,当桩基距隧道较近时(一倍洞径内),桩侧甚至产生负侧摩阻力。同样的,在考虑土体力学参数因隧道开挖扰动变化这一因素后,下穿情形中,桩端承力随拱顶沉降增大降幅更大;侧穿情形中,桩端承力增加更多。负摩阻力增大且区域也扩大。(4)通过研究高速铁路设计规范对高速铁路桥梁结构的变形及车桥耦合动力响应的控制要求,认为临近施工对高速铁路影响关键控制指标为:轨道不均匀沉降引起的波长控制值为40m,最大沉降控制值为10mm。运用有限元法及理论分析建立拱顶沉降与距隧道不同位置群桩的平均沉降之间关系,再计算出各拱顶沉降情况下的轨道变形沿里程分布。将计算结果对比分析得到波长控制值和最大沉降控制值,结果表明:轨道不平顺控制指标比轨道最大沉降控制指标对于拱顶及群桩沉降的限制更加严格;考虑土体力学参数因隧道开挖扰动变化对于施工控制指标(拱顶沉降)影响相当明显。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U456.3;U231.3;U238

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