软土地区基坑对下卧隧道变形的影响与控制研究

摘要

在城市复杂敏感施工环境条件下,邻近隧道基坑发展趋势是越来越深、大、近、复杂,基坑设计、施工不当所引起的后果非常严重。如何控制基坑施工引起的周围地层移动、保证隧道运行正常和安全已经引起人们越来越多的重视。引起隧道隆起变形的基坑开挖施工过程非常复杂,基坑结构布置情况、基坑加固、基坑开挖施工过程等对隧道隆起变形都有着重要影响,但目前对于此类研究还不是很成熟。本文采用了理论方法、现场试验和三维数值模拟分析相结合的方法,对基坑开挖引起的隧道隆起问题进行了系统研究。主要内容包括：
　　⑴针对基坑开挖卸载引起的下卧隧道隆起变形,提出了可考虑软土流变特性和隧道刚度影响的解析分析方法。应用Boussinesq解求解基坑开挖卸载应力,采用Mindlin解求解隧道结构抗力引起的土体变形,结合隧道反力引起的隧道自身变形,进行隧道与土体之间作用力和变形的耦合分析,该分析方法可很方便地分析基坑开挖引起的隧道隆起变形的时间效应。在此基础上基于CAD平台编制了一套相应分析程序,应用该程序进行了参数分析,研究了隧道刚度、基坑深度、基坑开挖面积、分块开挖、基坑与隧道相对距离对下卧隧道隆起的影响规律。文献案例的分析结果表明,本方法计算所得的隧道隆起量与实测值比较吻合,反映了下卧隧道在基坑开挖卸载下的位移特性,可应用于类似工程分析。
　　⑵在解析理论分析的基础上,采用三维数值分析方法,进一步研究了地基加固、基坑围护结构措施等对控制隧道隆起变形的作用规律。建立了66个考虑土体、基坑支护体系和隧道结构模型共同作用的三维有限元模型,土体采用修正剑桥模型,分别研究了基坑坑底浅部土体加固、隧道两侧土体加固、基坑外围周边土体加固、基坑分隔墙、隧道隔离墙对减小隧道隆起变形作用的机理。结果表明,地基加固、分隔墙、隔离墙对隧道变形有显著影响,参数分析结果给出了控制隧道隆起变形的优化建议,为实际工程提供了理论依据和指导。
　　⑶针对地基加固和分隔墙、隔离墙施工引起的隧道变形,通过现场足尺试验研究了三轴搅拌桩施工的环境影响机理和控制方法。在基坑现场进行的三轴深层搅拌桩试验中对搅拌桩单桩、群桩连续施工引起的超孔隙水压力扩散和分布规律进行了研究;建立了超孔隙水压力增长预测模型。对搅拌桩单桩、群桩施工引起的周边土体水平位移、深层土体位移影响规律进行了研究,在由远及近的搅拌桩群桩施工过程中研究发现了土体位移的波动效应。根据搅拌桩施工对周边环境影响的机理,提出了控制搅拌桩引起的隧道变形的优化施工工艺,现场完成的工程应用验证了优化施工工艺的有效性。
　　⑷依托上海东西通道陆家嘴段穿越地铁二号线的基坑施工方案,应用理论分析方法和三维数值分析方法,分析了基坑开挖引起的下卧隧道隆起量与控制效果,并开展了现场测试与验证。采用解析理论方法分析的隧道最大隆起量与实测结果比较接近。采用位移反分析的方法,编制了反分析计算程序,对数值分析参数进行了反分析。通过引入权函数,在参数反分析时同时考虑了基坑开挖引起的隧道与围护墙的变形。分析了基坑围护结构的侧向变形规律和隧道隆起规律,有限元分析结果和监测数据体现了基坑开挖过程对隧道隆起的显著影响和叠加效应。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容与创新点

第二章 基坑开挖引起下卧隧道隆起变形的解析分析

2.1 引言

2.2 隧道隆起计算理论分析与方法

2.4 工程实例分析

2.5 本章小结

第三章 基坑下卧隧道隆起变形与控制的数值分析

3.1 概述

3.2 有限元模型的建立

3.3 土体加固分析

3.4 基坑结构措施分析

3.5 不同开挖方案对隧道变形的影响分析

3.6 本章小结

第四章 地基加固施工对隧道变形影响与控制的试验研究

4.1 引言

4.2 大面积三轴深层搅拌桩现场试验方案设计

4.3 三轴深层搅拌桩施工效应监测结果分析

4.4 三轴深层搅拌桩施工环境影响机理及规律

4.5 三轴深层搅拌桩群桩连续施工引起超孔隙水压力的分析

4.6 三轴深层搅拌桩群桩施工影响控制的工程应用与实例验证

4.7 本章小结

第五章 基坑下卧隧道隆起变形控制的工程实例分析

5.1 工程概况

5.2 隧道隆起的解析方法研究

5.3 有限元相关参数反分析

5.4 加固效果数值对比分析结果

5.5 围护墙的水平侧向位移规律

5.6 隧道隆起规律

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 进一步研究的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研工作