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地铁隧道施工扰动对地表沉降和管线变形影响的理论和方法研究

段光杰  
【摘要】: 随着城市建设的发展,工程的施工扰动对环境的影响日趋严重,本文选取城市地铁隧道施工对地面沉降和管线变形影响作为研究课题,以北京地铁隧道施工作为工程背景,着重研究隧道施工过程中地表沉降变形的规律,隧道施工引起地表沉降的因素很多,在研究工作中,首先着重抓住了两个重要因素,即:应力状态和含水量,研究这两个因素的变化对土性的影响,力求从机理上揭示隧道施工造成地层损失和地表沉降的原因。 首先对地铁隧道施工中环境土层基本工程性质进行了研究,着重研究了基质吸力(负孔隙水压力)的变化和土的强度参数的关系,研究结果表明:在不同的吸力状态下,土的强度都不同,土的强度明显地受吸力控制。在国内,针对北京地区粉质砂土,根据Fredlund提出的非饱和土强度理论,率先建立了考虑基质吸力影响的土的强度公式;吸力与含水量密切相关,从广义扰动角度来说,含水量的变化也是对土的扰动。尽管人们已经认识到含水量的变化对土的强度参数有重要的影响,但其中的规律性仍然缺乏研究,本文针对北京地区一类主要的土质——粉质粘土,研究了不同含水量条件下土的强度参数的变化规律。结果表明:随着含水量的增大,土的强度降低,但降低的幅度不一样,当土的含水量在10~20%之间变化时,含水量的变化对土的强度影响极为明显。在实际工程设计中,对土的强度取值,必须考虑土的实际含水量。 施工扰动引起土性变化的另一个重要因素是土的应力状态。本文讨论了隧道施工过程中,由于应力状态的变化对土性的影响,,隧道施工之所以造成地表沉降和地层损失,是因为隧道施工过程中以及隧道施工结束后土层的应力状态已经不是原始应力状态,因此在选用连续介质力学方法对隧道施工进行变形和稳定性分析时,必须采用实际应力路径下强度参数。试验和分析结果表明:由于隧道施工扰动的影响,使得土的强度发生了变化,总体上降低了土的强度。因此在对实际工程进行强度和变形分析时,应该考虑到施工扰动对环境地层土体强度的影响。 地表之所以发生沉降,是因为发生了地层损失,而地层损失主要是由于土的应力状态和土的含水量发生了变化,机理的探讨是必要的,但是人们更关心地层损失造成的后果—地表沉降,更关心地表沉降的规律性,本文讨论了隧道施工过程中地表沉降的规律,将隧道施工方法分为盾构法和矿山法两种,结合理论分析和实测结果,分别给出了地表沉降曲线和沉降范围的经验公式,其结论对北京地铁隧道的设计与施工具有重要的参考价值。 在隧道施工中,由于土层应力状态的变化和含水量的变化,造成地层沉降, 从而会导致地下管线的变形,管线的变形很难实测,能否根据管线和隧道工程 的空间关系,通过控制地表沉降来间接控制管线的变形。即根据管线的允许变 形值来反推出地表允许的变形值。本课题在这方面做了一些尝试。即:确定地 表最大沉降值whx作为目标控制值,即通过控制地表沉降来控制管线的变形。 研究思路是:首先要搞清楚地表沉降的规律以及地表最大沉降值的计算方法: 然后研究地表最大沉降值W。x与地下管线的变形及应变的关系,从而可以根据 管线与隧道的相对位置、地层条件、管线的允许变形情况求出w皿厂 这样通过 控制地表最大沉降值w删x就可以间接控制隧道工程对地下管线的影响。


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