双线盾构隧道下穿施工对框架结构及地表变形影响研究

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目前,我国正在处于城市轨道交通建设的高峰期。在大规模建设城市地铁的同时,盾构隧道下穿邻近既有建筑物施工的工程案例越来越多。但是盾构隧道下穿邻近建筑物施工会扰动地层,破坏周边地层的原有地应力平衡,地应力调整及地层变形会传递到上部结构位置,导致上部结构发生不均匀沉降和变形,严重时将影响上部结构的正常使用甚至会造成重大工程事故。因此,研究盾构隧道在动态施工过程中对框架结构及地表变形的影响规律,并对其进行有效地安全性控制与保护有着重要意义。本文以湖南省自然科学基金项目“基于地铁隧道-地层-上部框架结构耦合作用的地表沉降机理研究”(编号:S2017JJQNJJ1586)为依托,以长沙轨道交通2号线下穿某框架结构建筑物为工程背景,利用Midas GTS/NX分析了双线盾构隧道下穿施工对框架结构及地表变形的影响。主要内容如下:(1)以长沙地铁2号线下穿某地表六层框架结构建筑物为工程背景,并利用Midas GTS/NX进行了数值分析,通过模拟结果与监测数据对比发现,有限元数值模拟结果与实测值能较好地吻合,表明模型中各计算参数的选取较为合理,Midas GTS/NX有限元软件能够较准确地模拟地铁隧道施工,从而可以预测双线盾构隧道下穿施工对框架结构及地表变形的影响。(2)根据双线盾构隧道下穿框架结构开挖位置的不同分为三个工况,即:双线隧道正下方穿越框架结构、左线隧道正下方穿越,右线隧道侧穿框架结构、双线隧道侧穿框架结构。利用有限元软件对盾构隧道动态施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程对上部框架结构及地表变形的影响。分析表明:1)盾构隧道开挖过程中框架结构所有结构柱、梁都有不同程度的沉降,框架结构柱带动与其刚性连接的梁产生变形,从而引起整个框架结构建筑物发生扭转或倾斜变形。伴随着框架结构的变形,其内力也会发生变化,但框架结构的内力变化很小;2)当框架结构建筑物右下方有隧道开挖时,隧道开挖会扰动周边一定范围的土体,造成土体松动。建筑物为了保持稳定会挤压右侧松动的土体,使得建筑物右侧地表位置的土体发生隆起变形。随着盾构隧道的开挖,框架结构所在位置的地表变形很小,而隧道正上方及右侧一定范围内地表变形很大。这说明框架结构的存在对其所在位置的地表变形具有约束作用;3)双线盾构隧道的开挖位置对框架结构的附加应力、附加变形影响很大。双线盾构隧道侧穿框架结构施工时框架结构的最大应力值最大,容易引起框架结构发生横向倾斜;双线盾构隧道在框架结构正下方穿越施工时框架结构的最大应力值最小,容易引起框架结构发生纵向倾斜。(3)根据双线盾构隧道下穿框架结构施工顺序的不同分为三个工况,即:左右线隧道先后同步施工、左右线隧道同向同步施工、左右线隧道反向同步施工。利用有限元软件对盾构隧道动态施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程对上部框架结构及地表变形的影响。分析表明:1)盾构隧道开挖过程中,掘进压力反作用于开挖面前方土体,通过挤压土体导致地表位置处发生隆起变形;盾尾处的土体应力释放导致土体发生弹塑性变形,进而导致上方地表发生沉降变形;2)双线盾构隧道在不同开挖位置施工会引起不同的地表变形,但随着隧道的开挖,不同开挖位置的地表变形趋于一致,即地表变形曲线关于双线隧道中心线对称。当隧道开挖至框架结构中心位置处时,双线隧道侧穿框架结构施工工况下引起的地表横向变形最大;3)左右线隧道的施工顺序对框架结构的附加应力、附加变形影响很小;4)当隧道开挖至框架结构中心位置时,左右线隧道同向同步开挖工况会引起较大的地表变形;左右线隧道同向先后开挖工况与左右线隧道反向同步开挖工况会对地面造成二次干扰,因此,在隧道开挖过程中应特别注意其引起的地面沉降。
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