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北京地铁区间隧道地表沉降模型试验研究

李超  
【摘要】: 随着城市地铁工程在我国蓬勃发展,预计21世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代,与此相关,也会涌现出大量的岩土工程技术问题需要解决。目前,以浅埋暗挖法施工的城市地下工程,存在的最突出的问题是在开挖过程中扰动地层,引起周围地层的应力、位移的重分布,从而导致地表下沉,对临近建(构)筑物、道路、地下管线等造成不同程度的破坏和影响。因此,如何在城市地下工程施工过程中防止地层坍塌,保证支护结构的安全并可靠地预计和有效地控制施工所引起的地面沉陷以保护工程沿线建筑物和地下管线的安全,已成为城市地铁工程建设中必须解决的一项重要课题。 本文以北京地铁五号线这一实际工程为背景,通过模型试验研究浅埋暗挖隧道施工过程中地表沉降规律,并与现场实测数据和数值计算相互对比,对无支护隧道开挖过程的地表沉降情况予以研究,进一步验证模型试验的可靠性。 在模型试验过程中,正确地选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键,本文在调研了相似材料研究的现状的基础上,分析了相似材料选择与组合的原则。借鉴前人的经验,通过大量的配比试验,我们研制了一种适合北京地质条件的相似材料,这种材料用重晶石粉、石英砂作为骨料,凡士林作为胶结剂混合而成。通过大量的力学试验和对试验数据进行分析,总结出了影响这种相似材料力学参数的若干因素,并对弹性模量做重点测试,分析了若干因素对材料物理力学性质的影响,并使用MATLAB程序对实验数据进行了拟合,得出一定范围内各材料组分含量对弹性模量大小的影响。最后得到:新材料具有容重高、强度与弹模低、性能稳定、易于购买,价格便宜、易干燥、易于加工堆砌、可重复使用的特点。它可以模拟范围较广的岩体材料,是一种比较理想的地质力学模型相似材料。 在掌握了相似材料性质影响因素及其规律的基础上,本文针对北京典型地质和典型隧道断面进行平面模型试验。经过拟合,地表沉降曲线基本符合Peck所述的地表沉降规律,在此基础上,将现场实测、模型试验和数值计算的结果进行对比。对比结果表明,模型试验结果与数值计算所得结果相差很小,可认为简化后的模型适用于模拟北京典型地铁区间,而本文所采用的相似材料用于模拟北京典型地层是合适的;无支护状态下隧道的地表沉降较大,在工程中应注意及时支护。


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