城市暗挖隧道穿越既有地下结构的力学响应及其控制

发布时间：2019-04-01 07:10

【摘要】：摘要：随着我国城市化进程的加快,以城市轨道交通建设为主导的城市地下空间开发已进入高潮。在城市地下工程建设中,由于城市环境复杂、线网规划密集以及建设时间的先后顺序不同,新建隧道近距离下穿既有地下结构不可避免。穿越工程的安全问题主要表现在工程结构自身安全和周围环境安全两个方面,而周围环境安全问题更为突出,成为穿越工程的核心内容。因此,研究城市暗挖隧道施工对既有地下结构的影响及其控制,具有重要的现实意义。本论文以北京地区地铁4号、5号、9号、10号、机场线及多条市政管道等10个下穿工程为背景,采用案例统计、理论分析、数值模拟及现场实测的方法,对浅埋暗挖隧道下穿工程中的既有地下结构变形规律、地层与既有地下结构的变形破坏特征、既有地下结构力学响应及其演化机制、安全控制技术等问题进行了系统深入的研究,取得以下主要成果： (1)通过对北京地区典型下穿工程案例分析,得到既有地下结构变形整体呈柔性、两变形缝之间的单个管节呈刚性的特征。管节变形以整体沉降、旋转和挠曲为主,呈现刚体运动特征；多个管节组合后呈“链状”特征,与天然地层变形类似,可采用Peck公式进行描述。 (2)基于镜像法,采用当层法原理对既有地下结构刚度进行等效,推导了浅埋圆形隧道开挖地层与既有地下结构位移的解析解。将计算结果与天然地层变形相比较,既有地下结构竖向沉降较小而范围较广,水平向变形远小于天然地层变形。研究表明,既有地下结构的存在对地层变形具有约束和扩散作用,解析解较好的反映了新建隧道-岩土体-既有地下结构三者的相互作用关系。 (3)基于两阶段分析法,对穿越工程典型工况进行分析,将既有地下结构的变形破坏模式分为：V型、U型和W型,其中V型沉降最大、裂缝及受力较小,U型受力及裂缝最大、沉降较小,而W型变形、受力及裂缝均最小。进而分析了开挖面积、施工方法、新旧隧道间距、新建双洞隧道间距、既有地下结构刚度及穿越夹角等因素对既有地下结构受力及变形的影响。提出了穿越工程的合理施工方案。 (4)基于数值模拟方法和接触面理论,对地层变形影响下既有地下结构力学响应及演化机制进行了研究。研究得出,地层变形会导致地下结构洞周围岩压力的减小和摩阻力的产生,使既有地下结构在竖向和水平向上受力不平衡,继而在横向和纵向产生沉降、倾斜、挠曲和扭转；其中,侧向摩阻力是不平衡力的重要组成部分,不可忽略；由于地层变形具有时空特性,因此不平衡力是不断发生、演化的,相应的地下结构横向和纵向的变形呈动态变化特征。 (5)将实测数据与数值模拟相结合,讨论了新建隧道施工工法、辅助施工方法、新建隧道与既有地下结构的埋深、既有地下结构刚度、新建隧道双洞间距、变形缝位置等因素对Peck公式经验参数的影响。将经验参数修正公式与Peck公式相结合,提出了预测既有地下结构变形的方法,并进行工程实例验证。 (6)以上述研究成果为基础,丰富和完善了穿越工程安全控制技术,形成了城市暗挖隧道穿越工程精细化过程控制体系,并在实际工程中进行了成功应用。
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【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U455

【参考文献】