地铁盾构隧道穿跨越施工对既有越江隧道的影响机理及控制指标研究

摘要

随着上海市地下空间的逐步开发和利用，越来越多的地铁盾构隧道不可避免地会临近既有地下建构筑物施工。新建地铁盾构隧道穿跨越越江隧道施工是近接施工的一个典型例子。本论文分别采用离心模型试验、数值模拟以及理论分析的方法研究了新建盾构隧道施工对下卧和上覆越江隧道的位移及内力的影响。并对越江隧道纵向不均匀位移的控制指标值进行了研究。本论文研究的主要创新性内容和成果如下：
　　1）应用离心模型试验模拟了新建盾构隧道上跨越江隧道施工的过程。研究了新建隧道的施工过程对越江隧道隆起位移、纵向内力以及周围土体孔隙水压力的影响。定量化地分析了越江隧道的位移及内力与地层损失率及注浆率之间的关系。试验结果表明：
　　①当新建盾构隧道开挖时，越江隧道的隆起位移及纵向内力增大，当新建盾构隧道注浆时，越江隧道的隆起位移和纵向内力减小；
　　②随着地层损失率及注浆率的增大，越江隧道的隆起位移及纵向内力近似线性地变化；
　　③越江隧道沿纵向的隆起范围至少可以达到距新建盾构隧道轴线3D（D代表越江隧道的直径）的地方；
　　④在新建盾构隧道的施工过程中，越江隧道周围土体的孔隙水压力变化较小。
　　2）采用有限元数值分析的方法对影响离心模型试验结果的因素进行了参数分析，这些参数主要包括越江隧道的纵向刚度、新建盾构隧道和越江隧道之间的竖向净距、土体的弹性模量。
　　通过研究可得：
　　①随着越江隧道的纵向刚度、两隧道之间的净距以及土体弹性模量的增大，越江隧道的最大隆起位移逐渐减小，最小曲率半径逐渐增大；
　　②土体弹性模量的变化对越江隧道竖向隆起范围的影响最大；
　　③越江隧道的最大隆起位移对土体弹性模量的变化最为敏感，越江隧道的最小曲率半径对其自身纵向刚度的变化最为敏感。
　　3）用理论分析的方法研究新建盾构隧道下穿施工对越江隧道的影响。将越江隧道模拟为Winkler地基上的Timoshenko梁，推导了越江隧道沉降的控制微分方程，并给出了方程的解析解。在验证了解析解的合理性之后，比较分析了Timoshenko梁模型相对于Euler-Bernoulli梁模型的优越性，并在基于Timoshenko梁模型的解析解的基础之上进行了参数分析。通过分析得到了以下一些结论：
　　①基于Timoshenko梁模型的越江隧道沉降量大于基于Euler-Bernoulli梁模型的沉降量；
　　②如果不考虑剪切变形对越江隧道沉降的影响，基于Timoshenko梁模型的越江隧道沉降解析解可以退化为基于Euler-Bernoulli梁模型的沉降解析解；
　　③随着越江隧道和土体相对刚度的逐渐增大，越江隧道的相对沉降和越江隧道的相对纵向弯矩逐渐减小。
　　4）在等效连续模型的基础之上，对纵向弯曲造成的越江隧道不均匀位移的控制指标值进行了研究。同时针对环向错台造成的越江隧道纵向不均匀位移，研究了相对变曲的合理取值。研究结果表明：
　　①当纵向曲率半径相同时，越江隧道的环缝张开量大于地铁隧道；
　　②在相同的环缝张开量条件下，越江隧道的纵向曲率半径随隧道直径的增大近似呈线性增长；
　　③当相对变曲值相同时，越江隧道的错台量是地铁隧道的1.5至2倍；
　　④相对于地铁隧道，应对越江隧道纵向不均匀位移的控制指标值提出更严格的限制。

目录

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目录

符号说明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究问题及研究目的

1.3 研究内容

1.4 技术路线

1.5 论文结构

第2章 研究现状综述

2.1 引言

2.2 盾构隧道近接施工相互作用机理分析

2.3 新建隧道上跨施工对既有隧道影响的研究现状

2.4 新建隧道下穿施工对既有隧道影响的研究现状

2.5 保护控制措施

2.6 盾构隧道等效纵向刚度的计算

2.7 本章小结

第3章 既有越江隧道受盾构隧道上跨施工影响的离心模型试验研究

3.1 引言

3.2 离心模型试验相关原理简介

3.3 离心模型试验的工程背景

3.4 离心模型试验中的相关参数分析

3.5 试验方案设计

3.6 试验结果及分析

3.7 本章小结

第4章 盾构隧道上跨施工对既有越江隧道影响的数值分析

4.1 引言

4.2 有限元计算模型的建立

4.3 数值模拟与离心模型试验结果的比较

4.4 越江隧道位移和内力的影响因素分析

4.5 参数敏感性分析

4.6 本章小结

第5章 既有越江隧道受盾构隧道下穿施工影响的解析解

5.1 引言

5.2 越江隧道位移及内力的解析解

5.3 解析解的验证

5.4 Timoshenko梁模型与Euler-Bernoulli梁模型的比较分析

5.5 解析解在上海越江隧道中的应用

5.6 参数分析

5.7 本章小结

第6章 越江隧道纵向变形控制指标研究

6.1 引言

6.2 纵向弯矩作用下的控制指标研究

6.3 纵向剪力作用下的控制指标研究

6.4 盾构隧道结构安全评价实例分析

6.5 越江隧道纵向变形控制指标值分析

6.6 本章小结

第7章 结论

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 进一步研究的建议

参考文献

致谢

个人简历 攻读学位期间的学术成果