浅埋暗挖法隧道上穿既有盾构隧道的变形控制研究

摘要

随着城市人口的急速膨胀，城市地下空间的集约式利用使得地下结构之间相互的影响问题日益突出。本文在总结新建工程穿越既有城市轨道交通工程经验和研究成果的基础上，紧密结合北京CBD地区银泰至航华大断面地下过街人行通道上穿地铁10号线工程，通过理论分析、数值计算、室内模型试验和现场实时监测的方法，系统研究了浅埋暗挖隧道上穿既有盾构隧道的变形规律及受力情况，并提出了相应的变形控制措施，主要工作及研究成果如下:
　　(1)通过三维数值模拟计算和室内模型试验，得到既有盾构隧道变形的总体规律，预测得到既有隧道的上浮值。随着上部隧道的开挖，既有隧道结构的变形经历了先上浮后回落，速率先大后小，并逐渐趋于稳定的过程。通过室内模型试验，发现在既有隧道和上方隧道交汇断面处，土压力减小值要明显大于交汇断面两侧处的土压力减小值，且上下侧土压力值差也较大，说明交汇断面上浮较大，验证了计算结论。据此初步确定了合理的隧道开挖方案和土层加固方案。
　　(2)基于正交试验理论构建正交试验，研究表明覆跨比、夹土层厚度对隧道上浮值具有显著影响。结合实际工程特点，提出了此正交试验应以拱顶上浮值、拱底上浮值、隧道径向相对位移、隧道竖向相对位移4项作为评价指标，试验结果方差分析和极差分析表明:夹土层厚度是上穿施工时既有隧道变形程度的最重要影响因素，为合理的注浆设计提供了依据。
　　(3)建立了上穿既有隧道施工的解析模型，推导得出了上部卸载情况下既有盾构隧道横向变形曲率的计算公式，并分析了实际工程中既有隧道的横截面安全性。建立了上部卸载情况下既有隧道纵向受力模型，分别推导了单弹簧模型和双弹簧模型下上部卸载引起的既有隧道挠度、转角、弯矩、剪力，结合实际工程分析了双弹簧模型的适用性，研究表明单弹簧模型比双弹簧模型计算得到的隧道上浮值要大。
　　(4)通过现场监测研究发现:大断面通道上穿施工引起的既有盾构隧道结构变形总体以上浮为主、结构自身变形较小，隧道结构竖向位移、水平收敛及道床结构竖向位移的变化规律一致，均经历了快速上升区、急速回落区、波动下降区及后期波动稳定区4个阶段。在工程地质与水文地质条件、夹土层厚度基本相同条件下，上穿西线隧道的通道覆跨比0.75、上穿东线隧道的通道覆跨比0.95的情况下，而通道施工引起的既有隧道的竖向变形量东线2.3mm要明显的小于西线隧道4.1mm，可见覆跨比越大隧道的上浮值越小，正交试验分析结果与现场实测结果一致。
　　(5)基于对既有盾构隧道的工前状况检测，掌握了既有隧道的状态，依托数值分析的预测，利用变位分配原理对新建隧道施工过程进行控制，成功的控制了既有隧道的上浮值。通过加强注浆和超前支护，减小了既有隧道的变形速率，也减小了隧道所受弯矩。研究表明数值预测、分部变位控制并加强现场量测在穿越既有线工程中是非常必要和有效的。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 浅埋暗挖隧道施工引起的地层变形研究

1．2．2 穿越施工中既有结构变形控制标准及确定方法研究

1．2．3 既有结构变形控制方法及监控量测研究

1．3 需要进一步研究的问题

1．4 研究内容及技术路线

1．5 创新点

2 浅埋暗挖隧道上穿引起的既有隧道变形规律研究

2．1 上部卸载引起的既有隧道变形特点

2．2 浅埋暗挖隧道上穿施工引起的地层及既有隧道变形特点

2．3 浅埋暗挖上穿施工引起既有结构变形规律计算分析

2．3．1 工程概况

2．3．2 计算模型及参数

2．3．3 计算结果分析

2．4 基于模型试验的浅埋暗挖隧道上穿既有隧道变形规律分析

2．4．1 模型试验的目的

2．4．2 模型试验相似准则的确定

2．4．3 实验模拟范围和模型尺寸的设定

2．4．4 模拟范围及模型尺寸设计

2．4．5 模型材料的配比实验及选取

2．4．6 模型试验量测项目、方法和量测系统的布置

2．4．7 整体模型的制作

2．4．8 施工过程模拟

2．4．9 试验结果分析

2．5 本章小结

3 基于正交试验的浅埋暗挖上穿施工既有结构变形影响因素研究

3．1 基于正交试验的变形影响因素分析

3．2 正交试验原理

3．3 正交试验设计

3．4 单指标下正交试验结果分析

3．4．1 指标1“拱顶上浮值”下的参数优化分析

3．4．2 指标2“拱底上浮值”下的参数优化分析

3．4．3 指标3“隧道径向相对位移”下的参数优化分析

3．4．4 指标4“隧道竖向相对位移”下的参数优化分析

3．5 本章小结

4 上部卸载引起的盾构隧道力学响应特性研究

4．1 上部卸载情况下既有盾构隧道横向结构受力特征研究

4．1．1 上部卸载盾构隧道横向力学模型概化

4．1．2 横断面变形计算分析

4．2 上部卸载情况下既有盾构隧道纵向结构受力特征研究

4．2．1 上部卸载盾构隧道纵向力学模型概化

4．2．2 隧道上浮量计算分析

4．3 上部卸载情况下盾构隧道接缝张开度研究

4．3．1 盾构隧道接缝张开度力学模型概化

4．3．2 张开度计算分析

4．4 本章小结

5 基于实时监测的上穿施工既有盾构隧道变形规律研究

5．1 工程概况

5．2 工程地质与水文地质情况

5．2．1 工程地质情况

5．2．2 水文地质情况

5．3 上穿施工既有盾构隧道监测方案设计

5．3．1 隧道结构竖向位移

5．3．2 道床结构竖向位移

5．3．3 隧道结构水平收敛

5．3．4 管片拼装缝变形监测

5．3．5 远程自动化安全监测

5．4 上穿施工中盾构隧道变形监测结果及分析

5．4．1 隧道结构竖向位移分析

5．4．2 隧道结构水平收敛分析

5．4．3 道床结构竖向位移分析

5．4．4 典型监测断面结构变形分析

5．4．5 道床与隧道结构剥离

5．4．6 隧道管片拼装缝

5．4．7 轨道结构沉降自动化监测

5．4．8 轨道差异沉降自动化监测

5．5 本章小结

6 浅埋暗挖隧道上穿施工既有盾构隧道变形控制研究

6．1 上穿施工既有隧道变形控制原理

6．1．1 既有隧道变形控制思路

6．1．2 上穿既有线变形控制实施流程

6．2 既有隧道变形控制标准

6．2．1 既有隧道变形控制指标确定

6．2．2 既有隧道变形分级控制值的确定

6．3 既有隧道变形控制实例分析

6．3．1 既有盾构隧道工前状况调查

6．3．2 既有盾构隧道变形控制指标

6．3．3 既有盾构隧道变形控制值

6．3．4 本工程变位控制

6．3．5 控制技术

6．3．6 控制效果

6．4 本章小结

7 结论及展望

7．1 主要研究工作及结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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