城市轨道交通平行换乘车站深基坑变形控制研究

摘要

在城市轨道交通建设中，多条线路之间的换乘由于受到城市规划、既有建筑物和道路等的限制，新建的地铁车站将紧靠既有运营地铁车站，形成平行换乘。本文分析新建换乘车站深基坑开挖对既有车站结构及其周围土层变形的影响，主要包括以下几个方面的内容：采用离心模型试验，分析新建平行换乘车站深基坑不同开挖方案对基坑和相邻地铁车站结构变形的影响，并对坑底搅拌桩加固的效果进行分析。通过试验，提出了新站基坑开挖的推荐方案，并为实际工程所采用。为减小试验误差，利用模型土体的加卸载试验和广义变分原理，从理论上分析了离心模型试验的边界效应，推导了边界摩擦力计算公式和边界摩擦力、惯性力作用下模型土层弹性变形解析解。从薄板理论出发，对模型试验中连续墙等板结构的相似性进行分析，推导了各物理参数的相似系数。在离心模型试验的基础上，提出了新站基坑开挖对既有车站影响的三维板壳有限元计算模型。对坑内土体的加固厚度、密度、程度，支撑刚度，支撑预加轴力，长条形基坑被隔墙分成小基坑间隔开挖的空间效应，既有车站纵向刚度等对新建换乘站基坑变形的影响进行计算分析。根据滑动楔体极限平衡条件，提出了考虑空间效应和土体粘聚力的短墙土压力计算公式，并通过多元回归分析，提出了简化的侧压力系数计算公式。对影响换乘站基坑变形的重要参数进行了敏感性分析，提出了隔墙两侧既有车站纵向影响长度的推荐值。仿照Sato模型，根据地铁车站轨道结构的形式，利用集总参数法分析轮轨竖向耦合振动荷载，讨论了轨面磨耗和轨道竖向变形的大小，波长以及地铁车速对轮轨竖向振动荷载的影响。根据计算得到的轮轨荷载，分析新建换乘车站深基坑开挖过程中，既有车站内的列车荷载对车站结构及其周围土层变形的影响。通过计算认为：由列车荷载引起的结构位移在允许值的7％以内；由列车荷载引起的地面沉降在允许值的3％以内。对国内第一个平行换乘车站枢纽工程，上海市轨道交通明珠二期张杨路车站深基坑施工对己投入运营的地铁二号线东方路车站的影响进行了计算和实测数据分析。总结了张杨路车站深基坑施工过程中，为保护既有东方路车站采取的保护措施，特别是通过设置混凝土隔墙将长条形基坑分成小基坑间隔开挖的技术，有效地控制了东方路车站的变形。通过计算与实测分析，得到了平行换乘车站深基坑变形的一般规律，并为今后类似车站的施工提出了一些参考建议。关键词：城市轨道交通；平行换乘；深基坑；变形控制；离心模型试验；广义变分原理；板壳有限元；短墙土压力；多元回归分析；敏感性分析；轮轨接触荷载

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第一章绪论

1.1基坑工程国内外研究综述

1.1.1基坑围护结构和地层变形研究

1.1.2基坑围护结构土压力分析

1.2轮轨相互作用研究

1.3课题的背景

1.4研究思路和主要内容

参考文献

第二章平行换乘车站基坑开挖对既有车站影响的试验分析

2.1离心模型试验的发展概况及其研究内容

2.2离心模型试验的控制方程及相似关系

2.3离心模型试验边界效应计算分析

2.3.1土体加卸载变形试验

2.3.2边界效应计算分析

2.4平行换乘车站深基坑开挖的离心模型试验

2.4.1试验概况

2.4.2模型与原形的相似性分析

2.4.3试验过程及各试验工况照片

2.4.4试验结果及分析

2.5小结

参考文献

第三章平行换乘车站基坑变形的三维板壳有限元分析

3.1平行换乘车站基坑变形计算模式

3.1.1计算理论

3.1.2计算模型验证

3.2考虑空间效应的短墙土压力分析

3.3侧压力系数的多元回归分析

3.4坑底土体加固对既有车站变形的影响

3.4.1加固厚度对基坑变形的影响

3.4.2加固密度对基坑变形的影响

3.4.3加固程度对基坑变形的影响

3.5支撑刚度及预加轴力对基坑变形的影响

3.6隔墙设置的空间效应和车站纵向刚度对基坑变形的影响

3.7参数的敏感性分析

3.8小结

参考文献

第四章列车荷载对既有车站及其周围土层变形影响

4.1轮轨竖向耦合振动模型及其求解

4.1.1轮轨竖向耦合振动模型

4.1.2 Runge-Kutta法求解振动模型

4.1.3模型集总参数分析

4.1.4轮轨竖向振动荷载分析

4.2轮轨接触荷载对换乘车站基坑变形影响分析

4.2.1 有限元--半无限元耦合计算模型

4.2.2土体抛物面屈服准则

4.2.3既有车站结构及其周围土层变形

4.3轮轨激振荷载对换乘站基坑变形影响分析

4.4小结

参考文献

第五章明珠二期张杨路换乘车站深基坑施工对东方路车站的影响分析

5.1张杨路车站施工主要技术简介

5.1.1工程概况

5.1.2现场深基坑施工主要技术及保护措施

5.2换乘站基坑及既有车站结构变形的三维有限元分析

5.3现场实测数据分析

5.3.1连续墙水平位移实测分析

5.3.2东方路车站道床水平倾斜实测分析

5.4小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.1.1离心模型试验

6.1.2数值分析

6.1.3现场数值计算与实测数据分析

6.2展望

致谢

博士期间参与的科研项目及发表论文情况