残积土地层长距离基坑开挖卸载致下卧隧道变形机制研究

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针对基坑开挖卸载致长距离共线下卧隧道的变形问题,本研究以深圳桂庙路快速化改造工程为依托,采用实测分析、数值模拟相结合的方法,对基坑开挖致长距离共线下卧隧道变形发展规律、发生机制以及影响因素开展了系统研究,提出既有隧道变形控制措施。研究成果可为同类长距离共线开挖的隧道变形控制提供参考。主要工作与成果如下:(1)基于深圳桂庙路快速化改造工程的现场实测分析,探明基坑开挖卸载对长距离共线下卧隧道影响规律。结果表明:归一化隧道上浮值(隧道上浮值δ_t/隧道初始埋深C)与卸载率(开挖深度H_e与隧道初始埋深C之比)呈指数相关,并据此提出了预测隧道上浮的经验公式;基坑开挖引起的隧道上浮具有明显的时间效应,当基坑开挖完成后隧道上浮仍继续发展,后期上浮值平均占总上浮值的48%;隧道渗漏水严重程度与隧道收敛变形呈明显的正相关性。(2)基于数值模拟,探明了基坑分步开挖条件下坑底地层应力、超孔隙水压力和隧道收敛变形演化机制。结果表明:基坑开挖过程中,基坑底土体负超孔隙水压力逐渐增大,隧道顶部和底部土体竖向有效应力均逐渐减小,并且两者间的差值逐渐增大;作用在隧道上的荷载减小,且顶部和底部减小量比两侧大;隧道上浮和收敛变形逐渐增大,隧道横截面逐渐由“横鸭蛋”演变为“竖鸭蛋”。基坑开挖完成后,基坑底土体负超孔隙水压力逐渐消散,有效应力和隧道外水土压力进一步减小,隧道收敛变形继续增大。随着主体结构施工,隧道顶部和底部的竖向有效应力均显著增加,并且顶部处更加明显;基坑底土体超孔隙水压力逐渐由负值转变为正值;隧道外水土压力均显著增加,隧道顶部和底部处更为明显,进而导致隧道竖向收敛变形减小。(3)基于数值分析揭示基坑开挖过程中坑底土拱区应力转移机理,并提出了土拱范围以及松动区的确定方法。分析结果表明:基坑开挖过程中坑底会有明显的土拱效应,特别是窄基坑(基坑宽度为2.5-5.5倍隧道直径);根据土拱形成机理的不同,基坑底会产生两种形式的拱(拱A和拱B),这两种拱均会将拱脚处应力传递至拱顶;基坑底土体隆起变形沿深度分布曲线存在明显的拐点,拐点上方可视为松动区范围;基于剪应变水平确定的基坑底扰动区与松动区较为吻合;隧道与松动区相对位置关系曲线有着明显的三个阶段,其中当隧道完全进入松动区时,其上浮和竖向收敛变形显著增大。(4)探究了基坑尺寸、基坑-隧道相对位置、土体渗透系数、主体结构施工时间等因素对下卧隧道变形的影响规律。结果表明:基坑宽度和深度与上浮稳定时间呈正相关,而土体渗透系数、隧道中心距基底竖向距离与其呈指数负相关;基坑深度、主体结构施工时间与隧道上浮增长幅度呈正相关,而隧道中心距基底竖向距离与其呈指数负相关;土体渗透系数对上浮增长幅度无影响。结合本文研究成果,提出了在花岗岩残积土层基坑开挖前、开挖期间、开挖完成后三个阶段的下卧长距离共线既有隧道变形控制措施。
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