【摘 要】
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由于城市发展过程中地铁隧道的大量建设,常出现邻近既有隧道的基坑工程施工。当隧道受到基坑开挖导致的卸荷应力,产生较大变形时,有可能出现隧道管片衬砌错动、轨道变形等情况,甚至产生严重工程事故。如何更好地评估基坑开挖对邻近隧道的影响并确保开挖过程中地铁隧道的正常运行已成为相关研究人员亟待解决的问题。本文通过数值模拟和解析解研究了基坑开挖对邻近既有隧道的影响,分析了紧邻隧道情况下,开挖过程中潜在的基坑破坏
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由于城市发展过程中地铁隧道的大量建设,常出现邻近既有隧道的基坑工程施工。当隧道受到基坑开挖导致的卸荷应力,产生较大变形时,有可能出现隧道管片衬砌错动、轨道变形等情况,甚至产生严重工程事故。如何更好地评估基坑开挖对邻近隧道的影响并确保开挖过程中地铁隧道的正常运行已成为相关研究人员亟待解决的问题。本文通过数值模拟和解析解研究了基坑开挖对邻近既有隧道的影响,分析了紧邻隧道情况下,开挖过程中潜在的基坑破坏模式,并提出了预估基坑开挖引起隧道变形的影响区,提出了计算基坑开挖引起的隧道变形的理论解析方法,主要工作及创新成果如下:(1)探讨了紧邻隧道情况下基坑不同开挖步的整体失稳破坏情况,归纳总结了基坑的破坏模式。研究了不同隧道埋深、隧道与地连墙水平间距和地连墙埋深下基坑破坏模式的变化,分析了变形破坏机理及变形情况,探讨了易发生破坏的计算步。研究结果表明,潜在破坏面可分为三种形式:直线形破坏面、圆弧形破坏面、U形破坏面;随着基坑的开挖以及内支撑的建设,剪切带逐渐变为绕地连墙墙趾的深层剪切带,与隧道的交叉部分从右侧肩部逐渐向下转移到右侧腰部或右下侧近腰部;基坑破坏易发生在开挖后未设置内支撑及开挖至坑底后设置内支撑的情况下。(2)提出了用于预估基坑开挖引起旁侧既有隧道变形的影响区。以福州市某基坑工程案例为基础,模拟了围护结构最大水平位移为40mm时隧道在不同位置的变形情况。结合相关规范的控制要求,提出了基坑开挖引起旁侧既有隧道变形的影响区。影响区边界可简化为三段线,并将影响区分为:强影响区、次影响区、一般影响区和弱影响区。引入三个坐标值以表征影响区边界,分别为影响区顶部宽度、转折点深度及影响区底部宽度。将隧道变形影响区用于预估六个基坑工程引起的隧道变形,并将预测变形与实测数据进行了对比,对比结果显示两者较为吻合。(3)提出了用于计算基坑开挖引起隧道变形的新理论解析方法。为克服以往的隧道连续模型,本文采用综合考虑剪切错台变形和刚体转动变形的隧道模型,利用Pasternak地基梁模型模拟隧道与土的相互作用。利用变分法建立并求解系统的控制方程,得到了可用有限级数表示的隧道纵向变形、环间相对竖向位移、环间转角及环间剪力。通过与现场监测数据以及采用Euler-Bernoulli梁和Winkler梁计算的结果的对比,证明了该方法可用于计算基坑开挖引起的隧道变形。(4)对本文提出的解析公式进行了参数敏感性分析,探讨了不同影响因素对于本文解析解计算结果的影响。研究表明,随着埋深、隧道环的转动比例系数及隧道环数量的增大,隧道最大纵向变形、环间最大相对竖向位移、最大转角及最大剪力逐渐变小,而隧道环间等效剪切刚度和隧道环间等效拉伸刚度对计算结果的影响较小。
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