岩石地层基坑开挖对下部地铁车站结构的影响研究

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地铁车站由于其便利性,往往吸引很多高大建筑物在其附近修建。为了利用地下空间,深大基坑工程越来越多,这势必引起下部或邻近地铁车站结构产生位移、变形和内力变化,可能会影响地铁车站的正常使用,准确把握相关变化规律十分必要。为此本文结合重庆轨道交通10号线南坪站及上部基坑开挖工程,研究岩石地层基坑开挖对下部地铁车站的影响。文章首先通过模型试验分析了隧道埋深和基坑开挖方式对地铁车站的影响;进而通过二维数值模型详细分析了不同基坑深度和不同围岩级别的情况下,下部地铁车站的位移、变形及内力变化规律;最后结合依托工程建立三维有限元模型,研究上部基坑开挖对南坪地铁站结构的影响,为实际工程建设提供参考。本文的主要工作如下:(1)通过室内模型试验和对应的数值模型,分析不同隧道埋深和不同基坑开挖方式的情况下,隧道受上部基坑开挖的影响。研究表明,在上部基坑深度一定的情况下,隧道埋深越大,则基坑开挖对隧道的影响越小;不同的基坑开挖方式对下方隧道的影响存在差别,推荐此类基坑工程使用岛式开挖方案。(2)通过二维数值模型,研究不同基坑开挖深度和围岩级别情况下,下部地铁车站的变形特征。研究发现,随着上部基坑开挖深度的增加,地铁车站结构的变形逐渐增大。车站隧道的变形主要以竖向隆起为主,同时伴随着横截面的竖向拉伸与水平向的收敛。当上部基坑开挖深度较大时,初期支护和二次衬砌将会出现不一致的变形,其中初支结构的变形一般大于二衬结构的变形。围岩级别对地铁车站的变形影响较大。围岩质量越差,则上部基坑开挖导致下部地铁车站结构的变形越大。在Ⅴ级围岩条件下,上部基坑开挖所引起的地铁车站变形,远大于Ⅲ级围岩中地铁车站的变形。(3)通过二维数值模型,研究不同基坑开挖深度和围岩级别情况下,下部地铁车站的内力变化特征。随着上部基坑开挖深度的增加,车站初期支护和二次衬砌的拱部及边墙区域会产生拉应力区,部分拉应力数值超过混凝土抗拉强度。不同的围岩级别条件下,地铁车站的内力变化存在较大差异。一般来说,围岩质量越差,地铁车站结构的受力越大,并随着上部基坑的开挖,其应力变化幅度也相对较大。(4)结合依托工程,按照南坪站上部基坑开挖的不利工况建立三维数值模型,开展基坑开挖对下部地铁车站影响的实例研究。分析结果表明,受上部基坑开挖影响,南坪地铁站结构主要产生竖向隆起变形,变形呈两边低中间高的特征,且二次衬砌局部竖向位移超过规范规定的变形控制值。上部基坑开挖会改变南坪站初支结构和二衬结构的受力状态,使初期支护的拱脚及边墙区域拉应力超过混凝土抗拉强度,产生拉裂缝;使二次衬砌的拱部及边墙区域压应力减小,产生拉应力,但未超过混凝土的抗拉强度。
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