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复杂地层条件下地铁车站深基坑工程安全性及其控制研究

冯春蕾  
【摘要】:近年来,随着我国城市现代化建设迅猛发展及人口数量激增,用地需求膨胀与地上空间紧缺的矛盾日益显现。因此,合理开发和利用地下空间变得愈发迫切,特别是城市地下铁道建设发展尤为迅速。由于地铁线路多是位于建(构)筑物、道路桥梁、地下管线等设施密集区域,致使地铁车站深基坑存在场地狭小、环境条件限制严格等问题,为基坑工程的建设带来诸多不利;加之城市地层的多变性、周边环境的复杂性以及工程影响的不确定性,一旦出现事故可能危及基坑自身及周边环境的安全,进而造成不同程度的经济损失甚至人员伤亡,引发不良社会影响。因此,作为地下铁道建设的重要组成部分,准确和全面的认识深基坑工程的安全性、并对其可能出现的风险进行及时有效的控制十分必要。深基坑施工过程中常见的安全性问题主要表现为支护体系破坏、土体渗透破坏及周边环境破坏等方面,例如围护结构位移变形过大、折断和整体失稳,基底隆起、突涌、管涌和流砂,围护结构施工和基坑开挖引起的周围地表不均匀沉降、路面开裂、管线破损、邻近建(构)筑物出现裂缝和倾斜等等。针对以上深基坑工程的安全性问题,本文以北京和天津地区两种典型城市地层条件下地铁车站深基坑工程建设为背景,通过分析和研究两地工程地质水文特点、地铁车站基坑的基本尺寸、支护结构类型、围护结构和地表变形等资料,结合已有的大量相关研究成果,重点从变形特性、安全稳定、环境响应、工程风险分析及控制等方面展开研究,旨在初步形成集设计、施工、监测等为一体、能够对复杂地层条件下城市轨道交通建设进行统筹规划的工程建设安全管理体系。主要工作及研究成果包括:(1)基于大量地铁车站基坑变形实测数据得出两种典型城市地层条件下基坑的变形特性及其整体变形模式的概念和研究方法。通过对京张高铁清华园盾构隧道工作井基坑工程、北京地铁6号线、天津地铁5、6号线基坑工程大量变形实测数据的统计和分析,得出不同地质水文条件下基坑的变形特性,并从多角度选取变形指标进行对比;同时以北京地区为例,依据地层特性及尺寸对基坑进行分类研究,并提出考虑空间效应的地铁车站基坑整体变形模式的概念及研究方法,得出整体变形规律。(2)基于多重影响因素提出针对特定地层条件下地铁车站深基坑稳定性的计算方法。通过综合考虑力学计算模型、基坑平面及开挖尺寸、地层及地下水分布情况、土体强度各向异性等因素,形成有针对性的、适合不同地层特性的基底抗隆起、地下水渗流等安全稳定性分析和计算方法;同时基于北京和天津两地实际工程情况,选取主要的基坑稳定性影响因素进行组合计算,通过分析计算结果进一步证实各项因素对基坑稳定性的影响程度。(3)基于实际地层及工程资料形成基坑开挖后环境响应的多角度综合评价方法。通过建立京津两地地层分布及地铁车站深基坑的标准化模型,基坑周边环境以建筑物为代表,分别从基坑开挖对建筑物变形的影响方面、基坑支护体系设计方案及建筑物与基坑间的相对位置关系方面出发,对不同地层条件下基坑开挖与邻近建筑物之间的相互作用进行多角度的分析和评价,以此反馈基坑开挖对环境的影响程度,并形成基坑开挖后环境响应的多角度综合评价方法。(4)基于典型城市地层条件下基坑安全风险的致险因素并结合上述研究给出相应的控制措施及其作用机理和应用效果。通过对地铁车站基坑工程典型的重大安全事故的分析,结合京津地区部分基坑工程的相关资料,确定两地工程风险的致险因素,并对致险因素进行归纳总结。以京津地区实际工程为例,建立标准化地层及基坑模型,针对工程实际需要提出相应的风险控制措施;通过采用数值模拟、正交试验及理论分析等手段,对措施的设计和实施方法、主要设计参数对控制效果的影响进行深入研究;同时给出控制措施方案的确定过程以及控制措施的作用机理。


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