基坑开挖对邻近运营区间地铁隧道的安全性影响研究

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基坑工程影响既有隧道结构以及围岩的原有状态,对邻近地铁运营区间构成安全隐患。本文依托近接深圳地铁7号线的福民站始发井基坑工程,首先对处于运营期的7号线隧道结构、新建基坑工程围护结构以及周边地表沉降,进行监测数据分析,得出混凝土结构、地表沉降的变化规律。其次,利用有限元软件对邻近双线隧道的基坑工程施工进行数值模拟,研究了单侧基坑工程对近接地铁的衬砌结构、基坑围护结构以及周边土体的力学响应与变形规律。最后,利用田口法与数值模拟法结合,基于信噪比、方差分析,得出隧道结构应力、隧道变形(总变形、横向变形和竖向变形)和土体变形(隧道上方地表变形)五个指标下,基坑外部加固影响因素的贡献率。基于信噪比变动范围赋权,确定了近接地铁的变形指标重要性排序,预测和验证最优因素组合的加固效果,对邻近地铁的基坑工程加固研究具有积极意义。本文的主要内容与结论如下:(1)分析了7号线地铁和基坑工程地下连续墙的监测数据,靠近和远离基坑侧两处隧道的水平和竖向位移随开挖深度增加而增大,最大值均在控制范围内。对处于既有结构非影响区的基坑周边土体,5阶多项式拟合曲线符合实测值规律,但不适用于既有结构影响区的基坑周边土体。基坑工程围护结构最大应变位置随开挖深度增加而下移至中部,中部测点应变值均大于两端,对邻近地铁侧的围护结构中部、靠近基坑侧隧道监测截面,增设监测点,做好实时监测反馈。(2)分析了单侧基坑工程对近接地铁周边土体的力学响应和变形规律,发现基坑工程打破原有双线隧道围岩的对称应力、应变状态,对近接隧道围岩形成附加应力与变形,附加应力、变形量与基坑和隧道相对位置呈负相关。单侧基坑工程引起双线隧道中间土体、隧道与基坑中间土体的塑性应变增加,隧道与基坑中间土体的塑性应变增量,大于双线隧道中间土体。单侧基坑工程与近接隧道之间土体、双线隧道周边土体,水平、竖直位移值与基坑开挖深度呈正相关。隧道上方地表呈现单峰沉降,沉降曲线符合地表沉降形态变化系数,沉降峰值位于基坑与近接隧道中间土体。(3)分析了单侧基坑工程对近接地铁隧道结构、基坑围护结构的力学响应和变形规律,得出单侧基坑工程引起近接隧道拱底局部土体,水平应力增加,竖向应力减少,最大应力值均小于混凝土强度。隧道管节水平、竖向直径增大,水平直径增幅大于竖直方向。邻近隧道的基坑地连墙墙角处随开挖深度增加,应力增大量超过限制值,对邻近隧道的地连墙墙角作圆角处理或补强加固,防止坑壁破坏,形成渗流裂隙。(4)分析了基坑加固对近接隧道结构和围岩变形的影响因素,按照信噪比变动范围加权,近接隧道变形指标的重要性排序为:隧道运营区上方地表沉降量、隧道最大横向变形量、隧道最大总变形量、隧道最大竖向变形量、隧道结构最大主应力。根据各项变形指标因素贡献率,可得出各自指标下的主导因素。排除各指标非影响因素,按照累加原理预测和验证了最优加固因素组合对近接地铁变形控制的效果,精确度超过90%。
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