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近年来,我国城市轨道交通快速发展,截至2017年末,我国拥有136条地铁线路、3881.8km,地铁线网密集,运营里程已居世界首位。在这种背景下,盾构法隧道建设不可避免面临穿越既有地铁线路。特别是在综合交通枢纽附近,双线甚至多线隧道穿越既有运营隧道案例也开始增多,而多线隧道群穿越涉及到了复杂的交叉结构-土体相互作用问题,隧道施工重复扰动,极易导致既有运营隧道变形过大,而既有地铁运营对轨道及结构变形的要求高,稍有不慎则会引起结构损伤、列车脱轨事故。鉴于此,本文以深圳地铁7、9号线隧道群下穿工程等三期下穿工程为背景,聚焦于近些年越来越多的单线及多线下穿既有隧道工程,研究盾构隧道群下穿对既有隧道变形影响及其控制问题。论文主要研究工作如下:(1)基于球孔坍缩(扩张)理论,结合虚像法技术推导了非均匀地层损失引起地层三维变形计算公式,然后考虑了盾构掘进施工荷载特征,建立了盾构法隧道掘进引起地层三维变形计算方法。分析了盾构双线及多线隧道开挖对地层的应力扰动作用即土体的记忆性,引入了附加地层损失参数描述先建隧道开挖对地层参数的弱化现象,提出了盾构多线开挖引起地层位移场计算方法。该方法能够反映盾构掘进的空间特性和地层变形的三维特征,能够应用于多线隧道施工对地层变形的影响分析,得出的结论更为全面也更符合现场实际;(2)通过“盾构机-土体-隧道结构”多元耦合分析,推导了天然地层与隧道结构变形关系矩阵,分析了隧道结构-土体相互作用模式和极限状态,提出了隧道结构与土体极限状态判定方法。在此基础上,引入隧道结构与土体间脱空区和塑性两种接触状态,建立了考虑隧道结构-土体非连续接触状态的盾构隧道及隧道群下穿既有运营隧道变形分析方法。该方法避免了已有弹性地基梁模型变形集中的缺陷,能够考虑盾构掘进空间位置改变和施工荷载影响,同时改进了以往计算方法中土体与隧道结构始终协同变形的假定;(3)基于本文提出的理论分析方法,研究了刚度比、穿越角度、覆土厚度等不同参数对既有隧道结构变形影响规律。研究发现当地层与结构刚度差异较大或覆土厚度较浅时都容易出现局部脱空区,脱空区发生位置通常在新建隧道中心线正上方,此时应当考虑脱空区非连续变形影响分析既有隧道变形。此外,通过双线隧道下穿算例分析,研究了隧道结构基底应力分区和承载特性,根据应力分布特征提出了承载柱概念,为合理设置新建隧道间距提供了理论依据;(4)研制了一套隧道及隧道群下穿既有隧道模拟试验装置,首次提出并采用了一种高精度“拖拽式”地层损失控制方法,避免了以往排液法精度控制低、开挖速度难控等问题。通过隧道及隧道群下穿既有运营隧道离心模型试验,实现了既有隧道结构与土体接触状态的测试,真实再现了隧道结构底部脱空区发展过程,系统分析了单条隧道下穿影响下既有隧道结构及围岩的力学响应。对比分析了不同新建隧道间距和施工顺序对既有隧道变形的影响,探讨了盾构隧道群合理穿越顺序和间距设置,提出了盾构隧道群下穿既有隧道优化施工方法;(5)依托深圳地铁三期工程中涉及到的盾构双线及多线隧道近距离下穿既有运营地铁隧道工程,通过广泛的现场实测和数据分析,研究了盾构下穿过程中既有隧道变形和受力变化情况,总结了深圳地区盾构双线和多线下穿既有隧道沉降分布规律;(6)针对目前盾构隧道多次穿越既有运营隧道工程缺乏单次控制标准情况,提出了盾构隧道多次穿越既有运营隧道位移分配控制方法,根据盾构穿越过程将隧道变形控制标准分解到每一次盾构穿越施工中,制定各单次隧道穿越变形控制标准,只要每次穿越过程中的变形得到控制,则整个结构的附加变形控制就能得以实现,使得盾构隧道群施工有规可循、有据可依;(7)通过广泛调研国内外隧道下穿施工控制案例,从扰动源、传播介质和保护对象三个角度论述了既有运营隧道变形控制措施及其适用条件,通过数值模拟的手段研究了多种典型保护措施的变形控制效果。在此基础上,对各个控制措施进行了分级和评价,为盾构穿越过程中制定合理的控制措施提供参考;最后,综合本文研究成果和前人工程实践,提出“调查是前提、评估是基础、监测是关键、控制是核心”的信息化施工综合控制理念,以期为盾构单线及多线下穿既有隧道施工提供指导。