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开挖卸荷下既有地铁隧道的竖向变形及其控制研究

张强  
【摘要】:城市轨道交通发展及城市地下空间的大规模开发建设不可避免地导致在已建地铁隧道上方出现各种各样的施工活动。土体开挖的卸荷作用,将改变周围土体的应力状态,使下方既有地铁隧道结构产生相应的竖向变形和附加内力,从而影响既有地铁隧道的安全性及正常使用。 本论文通过总结已有上跨既有线工程实例的特点,通过理论解析和数值分析方法对城市中各种类型的上跨既有地铁隧道的开挖卸荷工程引起的既有隧道竖向变形规律进行了系统的分析研究,并结合基于可靠性的隧道变形控制标准,对隧道变形合理控制措施进行了分析,最后以金融街地下交通西二环路出入口工程作为背景,将研究结果应用于实际工程中,为工程实际应用提供了理论依据。论文主要研究内容及创新点如下: 1、在深入分析已有开挖卸荷对既有地铁隧道影响的工作基础上,考虑到粘性土体应力与应变的时间效应即土体的流变特性,首先基于mindlin公式根据弹性—粘弹性对应原理推导出考虑成粘弹性材料的土体中开挖卸荷引起的下方既有地铁隧道的附加应力,并以此为主线,选取典型上跨既有隧道的明挖及暗挖工程,基于粘弹性地基梁模型从理论解方面系统分析了不同开挖卸荷工况引起的下方既有隧道竖向变形的规律,并分析了开挖卸荷的时间效应对变形的影响。首次推导得到了明挖三角卸荷和暗挖卸荷两种工况引起的下方既有隧道竖向变形公式。并且考虑到既有隧道变形缝的影响,首次推导得到了上方开挖卸荷引起的单节既有隧道结构竖向相对变形计算公式。 2、采用FLAC3D数值分析软件,考虑到地层的流变性,采用粘弹塑性土体本构关系,选取典型上跨既有隧道的明挖及暗挖工程,对开挖卸荷过程中引起的下方既有隧道的竖向变形规律进行了数值模拟分析,并与理论解析结果进行了对比。 3、以确保开挖卸荷引起的下方既有隧道结构的安全可靠性为预期目的,分别建立了既有钢筋混凝土隧道和盾构隧道在正常使用状态下的结构失效功能函数,结合目标可靠指标β,对开挖卸荷下的既有隧道变形控制值进行了研究。首次得到了基于可靠性分析的开挖卸荷下既有隧道竖向变形控制值。 4、选取典型上跨既有隧道的基坑工程作为研究对象,对土体开挖卸荷的时空效应对既有地铁隧道竖向变形的影响进行了分析,为实际开挖卸荷工程中控制既有隧道变形的时空效应规律提供了理论依据,并提出了控制既有隧道变形的合理注浆范围。 5、以金融街地下交通西二环路出入口工程实例为背景,通过理论解析以及三维数值模拟方法,分析了既有地铁2号线隧道因上方开挖卸荷产生的竖向变形,提出了变形控制标准和控制变形的合理注浆范围,并将理论解析和数值计算结果与既有隧道竖向变形实测数据进行了对比分析。


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