隧道下穿既有地铁结构受力特征及变形规律分析

发布时间：2017-10-22 09:16

  本文关键词：隧道下穿既有地铁结构受力特征及变形规律分析

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【摘要】：随着城市轨道交通的快速发展,穿越施工越来越多。新建隧道下穿既有隧道时,会导致不同程度的地层扰动,进而使得既有隧道结构以及轨道结构产生不同程度的受力变形,过大的变形将影响地铁列车的安全运营。本文采用有限元方法,选择新建隧道土层不同沉降量、新建隧道及既有隧道不同埋深、不同土层参数以及新建双线隧道不同间距的情况,分别对新建隧道下穿既有地铁隧道结构的受力特征和变形规律进行了研究,得到以下主要研究成果：1)通过新建隧道施工中不同拱顶沉降量对既有隧道结构受力和变形的影响分析,建立了既有隧道及轨道最大沉降值、影响范围、反弯点距离、倾斜率、轨道静态几何不平顺偏差值等特征值与新建隧道拱顶沉降之间的函数关系。研究表明,新建隧道拱顶沉降增大,既有轨道以及地表沉降均随之增大。新建隧道拱顶沉降53mm时,既有轨道竖向沉降为13mm,轨道静态前后高低偏差值和方向偏差值分别为2.5 mm/10m、1.1mm/10m,轨道纵向拉应力最大为9.5MPa,最大压应力为5.4MPa,与轨道基本应力叠加后,最大值为325.2MPa,满足既有轨道强度和安全运营要求；既有隧道管片纵向压应力较小,最大拉应力为1.82MPa,满足隧道结构强度要求。经过综合分析,建议既有轨道竖向沉降不超过13mm,轨道扣件可调量作为安全储备。2)在既有隧道与新建隧道间距小于一倍洞径(6m)情况下,不论是既有隧道埋深增加,还是新建隧道埋深增加,其轨道静态前后高低偏差值均增大,无碴轨道静态方向偏差值均减小。既有隧道埋深增加3m,轨道纵向拉应力最大涨幅2MPa左右,既有管片纵向最大拉应力增长0.5MPa左右。新建隧道埋深增加3m,既有管片纵向压应力增长0.8MPa,纵向拉应力最大值增大0.5MPa左右,轨道纵向附加应力影响不大。既有隧道所在土层弹性模量越小,则既有隧道的竖向沉降越大,而水平向变形影响不大。3)当新建双线隧道间距为0.5倍洞径时,右线隧道的开挖对先行开挖的左线隧道所造成的扰动影响有较大的叠加效应,双线隧道贯通后,土层及结构沉降槽宽度增加。随着双线隧道间距增大,叠加效应减小,沉降槽宽度增大,竖向沉降减小。双线隧道间距增加到4倍洞径时,新建隧道与既有隧道之间的夹层土的沉降槽存在双波谷现象,而轨道竖向沉降在双线隧道中轴线两侧各15m范围内为一段平缓的沉降曲线。通过计算分析论证了既有隧道结构和轨道变形、反弯点距离、影响半径、倾斜率、距离与双线隧道间距之间存在线性关系。4)双线隧道间距减小,其无碴轨道静态前后高低偏差值以及无碴轨道静态方向偏差值均增大。在0.5倍洞径间距时,轨道竖向最大沉降14.9mm,轨道静态前后高低偏差值以及方向偏差值分别为2.6mm/10m和2.4mm/10m,小于其容许偏差管理值4mm/10m。通过对既有隧道管片结构、道床、轨道及夹层土受力分析,考虑隧道施工叠加效应对道床的不利影响,建议新建双线隧道间距大于1倍洞径,既有轨道沉降不大于14.6mm,能够保证既有地铁管片结构和轨道结构满足地铁安全运营要求,轨道扣件可调量作为安全储备。
【关键词】：穿越施工 轨道变形 结构力学特征 隧道埋深 隧道间距
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 选题背景及意义12
• 1.2 国内外研究现状12-22
• 1.2.1 隧道施工地表变形分析研究12-14
• 1.2.2 地铁穿越既有隧道受力和变形分析研究14-16
• 1.2.3 地铁轨道结构形式及位移控制值16-21
• 1.2.4 下穿既有地铁隧道变形控制措施21-22
• 1.3 本文主要研究内容22-24
• 2 有限元方法概述24-30
• 2.1 几何变形方程及位移模式24-25
• 2.2 空间弹性问题25-26
• 2.3 空间弹塑性问题26-28
• 2.4 小结28-30
• 3 新建隧道拱顶沉降对既有管片和轨道的受力变形影响30-58
• 3.1 模型建立30-32
• 3.2 土层及结构物理力学参数32
• 3.3 既有地铁隧道及轨道变形规律分析32-45
• 3.3.1 既有隧道及轨道沉降变形分析32-40
• 3.3.2 拱顶沉降对既有地铁隧道及轨道变形的影响40-45
• 3.4 既有地铁隧道及轨道受力规律分析45-53
• 3.4.1 既有隧道及轨道受力分析45-50
• 3.4.2 拱顶沉降对既有地铁隧道及轨道受力的影响50-53
• 3.5 小结53-58
• 4 隧道埋深对既有隧道管片及轨道的受力变形影响58-76
• 4.1 模型建立58-59
• 4.2 隧道埋深对既有地铁隧道及轨道变形影响规律分析59-69
• 4.3 隧道埋深对既有地铁隧道及轨道受力影响规律分析69-74
• 4.4 小结74-76
• 5 不同围岩条件对既有管片及轨道的受力变形影响76-86
• 5.1 模型建立76-77
• 5.2 土层弹性模量对既有地铁隧道及轨道变形影响规律分析77-82
• 5.3 土层弹模对既有地铁隧道及轨道受力影响规律分析82-84
• 5.4 小结84-86
• 6 双线平行隧道间距对既有管片和轨道的受力变形影响86-104
• 6.1 模型建立86-87
• 6.2 双线隧道间距对既有地铁隧道及轨道变形影响规律分析87-94
• 6.3 双线隧道间距对既有地铁隧道及轨道受力影响规律分析94-99
• 6.4 小结99-104
• 7 结论及展望104-110
• 7.1 主要研究结论104-108
• 7.2 展望108-110
• 参考文献110-114
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果114-118
• 学位论文数据集118

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本文编号：1077716