【摘 要】
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随着城市化的高速发展及人口密度的急剧增加,传统的交通方式已不能完全满足日常居民的生活需求,因此城市地下空间的开发及利用成为当今的研究热点。其中以隧道工程为主的地下空间建设极大地缓解了交通压力,提高了交通效率,推动了社会与经济的发展,是促进我国迈向交通强国的关键环节。但在地下建设的过程中,常因地质条件差、地下水、破碎带等因素造成的安全事故时有发生,严重威胁人民的生命及财产安全。所以,开展因隧道施工导
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随着城市化的高速发展及人口密度的急剧增加,传统的交通方式已不能完全满足日常居民的生活需求,因此城市地下空间的开发及利用成为当今的研究热点。其中以隧道工程为主的地下空间建设极大地缓解了交通压力,提高了交通效率,推动了社会与经济的发展,是促进我国迈向交通强国的关键环节。但在地下建设的过程中,常因地质条件差、地下水、破碎带等因素造成的安全事故时有发生,严重威胁人民的生命及财产安全。所以,开展因隧道施工导致的地表沉降及其围岩稳定性变化规律研究,提前制定相关措施,有利于优化施工方法并提高施工的安全性,对城市的地下空间建设具有重要的意义。本文以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,运用现场施工的监测数据与MIDAS/GTS NX模拟软件,对青岛地铁浅埋隧道施工沉降规律和控制优化措施及围岩稳定性进行了系统研究。基于地质勘查资料、沉降监测数据和超前地质预报技术,结合施工工法,分析了影响隧道稳定性的因素及该区段的沉降规律,确定了适合青岛地区的Peck修正公式。通过数值模拟软件建立有无考虑渗流—应力耦合模型进行分析,由于地下水的作用显著,分别建立了不同工况环境下的渗流—应力耦合模型,探究了其在地表及拱顶的沉降规律。据此,确定了最大沉降位置即最不利位置并进行了合理优化。同时对不同工法下围岩的大小主应力进行分析,确定了车站围岩的稳定性并得到相应的围岩安全系数。最后,运用动力增载位移响应比评价参数对隧道开挖引起的围岩稳定性进行了评价,评价结果可为今后的该类地下工程设计与施工提供借鉴。其的主要结论如下:(1)分析了地表沉降、拱顶沉降以及建筑物的沉降规律,三者的沉降趋势相同,皆经历了开挖沉降、加固上升、再下降、上升趋于稳定的变化过程。其中地表产生的沉降最大为35mm,造成地面沉降的因素与隧道降水、断层破碎带及空洞和工法的变化有关。同时在人工降水影响下的地表沉降总量为18.37mm,可见地下水对地表沉降影响重大,因此在福州车站施工过程中不可忽视地下水的作用。(2)结合青岛地区典型的上软下硬地层且含有大量的地下水的地层特点,对沉降槽分布形式进行了修正。确定了一种适用于青岛地区富水浅埋暗挖隧道的Peck修正公式,其沉降槽宽度系数i=6.72,地层损失率Vi=0.53%,并确定沉降槽控制系数c=0.2时Peck修正公式曲线与实际施工沉降曲线更加相符合。(3)通过数值模拟与实测数据对比分析,验证了渗流—应力耦合模型的有效性。据此,分别建立了三个不同地下水位环境下的渗流—应力耦合模型,研究了不同模型的地表沉降及拱顶沉降规律。结果表明在工况一环境下地表沉降量最大(23.06mm),而工况三环境下地表沉降量最小(10.23mm),其值与未考虑渗流-应力耦合模型下最终地表沉降值大体相同。这表明了在重力场单因素模式下,地下水位的变化对地表沉降影响显著。因此,为保证隧道车站的安全施工,应将水位降至车站底板下方安全位置,最大程度减小地下水的影响。(4)对优化前后的渗流—耦合模型进行对比,结果表明及时支撑法和15导洞法两种优化方案都极大的降低了地表和拱顶沉降量,证明了该优化方案的合理性,可为实际施工提供新的优化思路。因此,在施工中应及时进行支护,并严格选用支护材料、支护方案、控制支护强度等。(5)基于Mohr-Coulomb强度准则和强度折减法,分析了不同工法下的应力变化并评价其围岩稳定性。最终得到青岛地铁4号线隧道围岩稳定性安全系数K为1.3,同时确定适合本文研究对象的动力增载位移响应比ηcr为4.33,而且动力增载位移响应比变化规律与拱顶沉降曲线变化趋势呈负相关关系,其最终值趋于4左右,并未超过动力增载位移响应比预警值。这也表明了动力增载位移响应比变化规律能很好地反映围岩稳定性,且动力增载位移响应比评价模型可以作为有效的隧道开挖围岩稳定性评价方法之一。
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