基坑开挖卸载对侧邻隧道工作性状的影响研究

摘要

近年来随着中国城市化进程的加快，城市基坑工程的数量迅速增加,地铁隧道密度也越来越大。新建基坑工程与既有地铁隧道的建筑空间冲突逐渐凸显，基坑开挖施工对紧邻运营地铁隧道的影响成为保证城市地铁安全的重要研究问题。目前国内外研究主要针对基坑开挖对下卧盾构隧道影响，对基坑开挖卸载的过程引起侧邻地铁隧道工作性状改变的研究相对不足。本文针对该问题从模型试验、数值模拟及理论分析三个方面展开较为深入的研究。 本文基于常见的基坑支护结构位移模式，建立室内模型试验，通过设置刚性挡墙（基坑围护结构）发生平动和转动两种变形模式模拟基坑开挖引起的支护结构变形。支护结构的变形导致墙背土体产生应力释放，形成与之对应的卸载效应，试验过程中重点监测了基坑侧邻隧道的周围土压力分布和横截面变形的演化。 采用三维有限元模拟，对模型试验结果进行了验证，并通过参数分析深入探究隧道与挡墙间距这一重要因素对基坑开挖卸载引起的侧邻隧道工作性状变化的影响。 基于“源-汇”计算理论及叠加原理，推导得到了基坑开挖卸载情况下侧邻隧道横截面位置处的土体位移。将隧道简化为被动状态下的环形弹性地基梁模型，并采用“二阶段”思想，通过将隧道位置处的土体位移施加于该模型上，计算得到隧道的变形。 通过以上三方面的研究，主要得到以下研究成果： （1）在基坑围护结构平动或转动模式下，随着平动量和转动量的增加，靠近围护结构一侧的隧道以及远离围护结构一侧的隧道端点处的土压力均快速衰减而后基本保持不变。隧道顶端周围土压力随着围护结构位移量的增加而持续增加。当围护结构发生平动时，远离围护结构一侧的隧道周围土压力有一个小幅度的衰减；而当围护结构发生转动时，远离围护结构一侧的隧道周围土压力基本上不发生变化。 （2）在基坑围护结构平动或转动模式下，隧道横截面位移量与基坑围护结构的位移量关系密切，随着基坑围护结构位移量的增加，横截面位移量逐渐增大，且增大速率逐渐减小。同时，随着基坑开挖过程的进行，隧道靠近围护结构一侧端点处的水平位移量始终保持最大，隧道顶端发生的竖向沉降量次之，隧道底端发生的竖向沉降量最小。 （3）在基坑围护结构平动或转动模式下，随着平动量和转动量的增加，侧邻隧道横截面靠近和远离基坑两个端点处的弯矩变化不大，但横截面其余点位处的弯矩显著增大，其中围护结构平动或转动在隧道靠近基坑一侧的左下端点处所产生的附加弯矩最大。 （4）在基坑围护结构平动或转动模式下，侧邻隧道横截面发生的位移量与隧道和基坑之间的距离密切相关，增大隧道与围护结构之间的距离可以减小侧邻隧道横截面发生的位移，但随着隧道与围护结构间距的不断增大，其减小速率逐渐降低并趋向于0。此外，若侧邻隧道位于基坑滑裂面外，即使增大隧道与基坑围护结构的间距，围护结构的平动变形引起的隧道横截面位移也不会出现明显地减小。 （5）通过与试验及有限元计算结果对比分析，本文提出的以基坑围护结构平动和绕墙底转动两种基本变形模式代替基坑开挖条件下的支护结构墙后土体的卸载，并采用“源-汇”理论，以支护结构位移为基础结合弹性地基梁模型推导得到的基坑开挖卸载情况下侧邻隧道横截面变形的理论分析方法是合理有效的。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基坑开挖卸载对邻近隧道影响的理论研究现状

1.2.2 基坑开挖卸载对邻近隧道影响的数值模拟研究现状

1.2.3 基坑开挖卸载对邻近隧道影响的试验研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 主要创新点

2 模型试验方案设计

2.1 引言

2.2 试验方案概述

2.2.1 试验目的及试验内容

2.3 模型试验所用材料的选用和设计

2.3.1 模型试验系统的选用

2.3.2 模型隧道的选用和设计

2.3.3 模型试验用土的选用和力学性质

2.4 模型试验量测元件布设方案

2.4.1 数据采集系统的选取

2.4.2 土压力盒的选取与布设

2.4.3 位移计的选取与布设

2.5 刚性挡墙移动方案

2.5.1 活动刚性挡墙最大位移量的确定

2.5.2 刚性挡墙平动方案

2.5.3 刚性挡墙绕墙底转动方案

2.6 试验步骤

2.6.1 刚性挡墙平动时对侧邻隧道的影响试验

2.6.2 刚性挡墙绕墙底转动时对侧邻隧道的影响试验

2.7 本章小结

3 基坑开挖卸载对侧邻隧道工作性状影响的试验研究

3.1 引言

3.2 刚性挡墙平动对侧邻隧道的影响试验结果分析

3.2.1 活动挡墙侧壁的水平土压力变化分析

3.2.2 隧道周围的土压力变化分析

3.2.3 隧道的横截面变形变化分析

3.3 刚性挡墙绕墙底转动对侧邻隧道的影响试验结果分析

3.3.1 活动挡墙侧壁的水平土压力变化分析

3.3.2 隧道周围的土压力变化分析

3.3.3 隧道的横截面变形变化分析

3.4 挡墙平动与绕墙底转动试验-隧道位移变化对比分析

3.5 本章小结

4 基坑开挖卸载对侧邻隧道工作性状影响的数值模拟分析

4.1 引言

4.2 有限元数值模拟计算模型

4.2.1 有限元计算模型的尺寸

4.2.2 各试验材料的本构模型和参数选取

4.2.3 各试验部件的接触设置和边界条件

4.2.4 荷载分析步的设置和有限元计算网格的划分

4.3 有限元数值模拟结果分析

4.3.1 挡墙平动模式下侧邻隧道的周围土压力和横截面变形分析

4.3.2 挡墙绕墙底转动模式下侧邻隧道的周围土压力和横截面变形分析

4.3.3 隧道横截面内力随平动量和转动量的变化规律

4.4 隧道与挡墙的间距变化对侧邻隧道工作性状的影响

4.4.1 平动模式下隧道与挡墙的间距对侧邻隧道变形的影响

4.4.2 挡墙绕墙底转动模式下挡墙与隧道的间距对侧邻隧道变形的影响

4.5 本章小结

5 基坑开挖卸载对侧邻隧道变形影响的理论分析

5.1 引言

5.2 围护结构基本变形模式下其后土体位移场的理论分析

5.2.1 围护结构平动模式下其后土体位移场的理论分析

5.2.2 围护结构绕墙底转动时其后土体位移场的理论分析

5.3 土体位移引起已有隧道横截面变形的理论分析

5.3.1 基本假定

5.3.2 隧道衬砌弹性地基曲梁的径向位移的控制微分方程

5.3.3 隧道径向位移控制微分方程的有限差分法求解

5.4 基坑开挖卸载引起已有侧邻隧道横截面变形的理论分析

5.5 理论计算与模型试验和数值模拟结果对比分析

5.5.1 平动模式下理论计算与模型试验和数值模拟结果对比

5.5.2 绕墙底转动模式下理论计算与模型试验和数值模拟结果对比

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 后续研究展望

参考文献

致谢

个人简历