土岩复合地层中隧道受上部卸荷影响的变形测试及特性分析

发布时间：2020-06-12 08:34

【摘要】：在城市中心区域进行地下空间开发时,难免会遇到新建地下工程必须跨越已建隧道的情况。既有隧道上方进行卸荷开挖时,坑底岩土体的卸荷回弹会引起下方地层移动,致使隧道隆起并严重威胁隧道安全。尤其是当工程处于土岩复合地层中时,由于土层与岩层之间迥异的性质差异,上部开挖卸荷过程中下卧隧道变形特性更为复杂,需要进行系统、全面的研究。本文依托厦门第二西通道石鼓山段上跨地铁1号线工程,对下方既有隧道在基坑开挖过程中的变形展开现场监测,结合数值模拟的方法探究土岩复合地层中既有隧道在上部开挖卸荷影响下的变形特性。主要工作和研究成果如下:(1)采用人工监测结合自动化监测的方案对基坑开挖过程中既有隧道的变形展开现场监测,并结合大量统计数据对既有隧道变形特性展开分析。结果表明,地层的起伏对于既有隧道的竖向变形响应影响显著,位于全风化岩中的隧道相比于中风化岩中隧道,其最大拱顶变形增大约40%;统计数据显示,软土地区隧道隆起变形较大,平均约为15.5R(R为卸荷深度比);土岩复合地区隧道隆起变形较小,平均约为3.34R。卸荷区域内隧道呈现上浮隆起变形,卸荷区域外侧隧道因出现沉降变形。土体变形的时间效应可大幅增加既有隧道隆起变形,坑底暴露10天后隧道竖向隆起增大约40%~60%。(2)依托实际工程,建立考虑地层起伏的三维数值模型,模拟基坑施工全过程,探究上部卸荷引起下卧隧道变形产生的原因,并通过简化准三维数值模型探讨不同地质条件对于隧道变形的影响。结果表明:基坑卸荷区域内隧道随坑底土体在上部卸荷作用下产生隆起,基坑卸荷区域外隧道受到施工荷载的影响产生沉降,进而加大隧道在竖向的相对变形及曲率。基岩面起伏对既有隧道变形影响显著,位于土层中隧道最大变形约为岩层中隧道最大变形的4倍。(3)建立三维理想分析模型,探究了土岩复合地层中相关参数对隧道变形的影响,提出了施工过程中隧道变形控制的相关建议。结果表明:当卸荷深度一定时,下卧隧道竖向隆起随着上部基坑卸荷面积的增大而增大,增大速率逐渐减小,直至变形稳定。卸荷跨度相对于卸荷长度对于下卧隧道变形的影响更大。土岩复合地层中采用分层分段式开挖方案可以有效的减小隧道的竖向隆起变形,但相比软土条件下影响更小。增加上部基坑支撑体系刚度对于控制土岩复合地层中隧道竖向变形的作用微小。
【图文】：

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坑-15m~-20m 深度范围内，花岗岩全风化之后的产物，岩体呈砂土状，内部已经完全风化为粉末状，手捏即散；⑤2-2 块状强风化花岗岩：主要分布23m~-35m 深度范围内，成份主要为未完全风化的花岗岩，岩石风化程度严重石结构破坏严重，，岩体呈碎石夹砂砾状，；⑤3 中风化花岗岩：中细粒花岗结构状构造，高倾角裂隙较发育，裂隙两侧多被浸染呈褐黄色，沿裂隙两侧岩石风化较严重，表面粗糙，岩质大多较硬主要分布在-35m 以下的地层中。各土理力学参数如表 2-2 所示。表 2-2 场地主要地层的力学指标Table 2-2 Soil parameter of the site.土层名称重度 (kN/m3)粘聚力c(kPa)内摩擦角 (o)压缩模量sE (MPa)泊松比杂填土 18.0 12 15 5.0 0.3粉质粘土 19.0 20 17 5.5 0.28残积砾质粘性土 19.4 25 22 12 0.26全风化花岗岩 18.9 35 25 0.24碎块状强风化花岗岩21.0 80 27 0.24中风化花岗岩 22.0 150 28 0.22

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图 2-6 沿右线隧道的场地地质剖面图Fig.2-6 The geological profiles of the site along the right tunnel.2.3 现场监测.3.1 方案介绍区间隧道的监测主要针对于隧道衬砌结构及地铁轨道的变形，监测内容主括隧道垂直位移（道床、拱顶）、水平位移、隧道相对收敛、隧道内裂缝分布目。考虑到厦门地铁一号线在上跨基坑开挖期间处于辅助结构施工至试运营，部分时间段不方便到区间隧道内进行现场人工监测。因此，区间隧道采用监测为主，人工校核为辅的监测方案。隧道自动化监测系统由区间隧道及地面观测室两块部分组成（见图 2-7），包括数据采集、数据传输、控制系统、告警系统、数据处理、数据分析和数理等部分。主要监测项目包括隧道拱顶垂直位移、水平位移、净空收敛等。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U451

【参考文献】