干砂地层基坑开挖对旁侧隧道影响离心模型试验研究

摘要

经过近几十年的快速发展，中国许多城市已建成多条地铁线路，有的已经形成密集的交通网络。与此同时，已建成甚至运营的地铁隧道频繁面临着邻近基坑开挖的不利影响，有的造成了既有隧道的裂缝甚至渗漏水。基坑开挖卸荷会导致旁侧地铁隧道产生附加内力和变形，引起周围土体不同程度的应力释放，使基坑周围地层产生位移，从而引起隧道变形，严重时甚至影响地铁隧道的安全运行。因此，研究基坑开挖对既有隧道的影响机理具有重要意义。
　　目前对基坑开挖对旁侧地铁隧道影响表现出浓厚兴趣的学者不在少数，但仍缺乏针对性的研究。因此，为系统研究基坑开挖对旁侧地铁隧道影响机理，本文采用三维离心模型试验和数值分析开展了干砂地层中基坑开挖对旁侧地铁隧道影响研究。主要工作和成果如下:
　　(1)开展离心模型试验，采用转机过程中排放重液的方法模拟基坑开挖的卸载作用，获得隧道上浮、隧道内力、隧道周围土压力、地表沉降等变化规律。试验结果表明，基坑开挖引起的隧道最大上浮量接近0.024％倍开挖深度，而距离隧道中心0.625B（B为基坑长度）的隧道上浮仅约0.012％开挖深度，约为最大上浮量的一半;基坑底回弹量与采用Boussinesq解计算的回弹量比较接近;地表沉降量与相关文献给出的试验结果相近;靠近基坑一侧的隧道周围土压力有所减小，而远离基坑一侧的隧道周围土压力则有所增加。
　　(2)通过离心模型试验，研究隔断墙对基坑旁侧隧道的影响，同时与无隔断墙工况的试验结果进行了对比。分析了隔断墙对控制基坑开挖对邻近隧道影响机理。研究发现，设置隔断墙可明显降低地表最大沉降，这与隔断墙阻隔基坑开挖引起的土体位移有关。比较而言，隔断墙对基坑底回弹基本无影响，这主要是因为隔断墙设置在基坑外，对基坑内土体开挖卸载引起的坑底回弹影响可忽略不计。围护墙外设置隔断墙可明显减小围护墙水平位移，并一定程度减轻了邻近基坑一侧的土压力减小程度和远离基坑一侧的土压力增加程度，这与隔断墙对隧道与基坑中间土体卸载作用以及位移场的阻隔作用有关。隔断墙可一定程度上减小隧道上浮量和弯矩，但作用有限。
　　(3)采用PLAXIS3D中的小应变硬化土模型（HS-small模型）研究了不同隧道埋深、隧道与基坑距离、基坑开挖深度等因素对旁侧地铁隧道影响，模拟了七个基坑开挖工况。数值计算结果表明，隧道上浮量和水平位移随着隧道埋深及其与围护墙距离增大而减小，而随着基坑开挖深度的增大而增大。基坑开挖过程中，隧道水平位移量随着隧道埋深、围护墙与隧道距离、开挖深度的增大而减小，且受隧道埋深、隧道与围护墙距离影响明显。基坑底回弹随着基坑开挖深度增加、隧道埋深增加、隧道与围护墙距离增加均有减少趋势。在隧道埋深12m处，围护墙最大水平位移为0.193％倍开挖深度。隧道竖向平面内的纵向弯矩明显大于水平面内，隧道承受的竖直向及水平向土压力随着隧道埋深增加均逐渐降低，而且竖直向土压力要明显大于水平向土压力。基坑开挖对旁侧隧道上浮值的数值模拟规律与离心模型试验基本一致，得出的最大隧道上浮值比较相近。本文研究结果对类似工程具有指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 基坑开挖对旁侧地铁隧道影响

1．3．2 基坑开挖对旁侧隧道变形控制方法

1．3．3 土体力学特性与本构模型

1．4 本论文主要工作

第2章 基坑开挖对旁侧地铁隧道影响离心模型试验研究

2．1 概述

2．2 离心模型试验介绍

2．2．1 离心机装置简介

2．2．2 离心模型试验原理

2．2．3 离心模型试验模拟方法

2．3 试验方案

2．3．1 模型构件布置

2．3．2 传感器布置

2．3．3 地基土

2．3．4 试验过程

2．3．5 基坑开挖模拟

2．3．6 测量仪器标定

2．4 试验步骤

2．5 本章小结

第3章 基坑开挖对旁侧地铁隧道影响离心模型试验结果分析

3．1 概述

3．2 试验结果

3．2．1 地表沉降

3．2．2 基坑底回弹

3．2．3 围护墙水平位移

3．2．4 隧道周围土压力

3．2．5 隧道上浮

3．2．6 隧道弯矩

3．3 本章小结

第4章 隔断墙对基坑开挖影响下隧道变形和内力控制作用研究

4．1 概述

4．2 试验模型布置

4．3 试验步骤

4．4 试验结果

4．4．1 地表沉降

4．4．2 基坑底回弹

4．4．3 围护墙水平位移

4．4．4 隧道周围土压力

4．4．5 隧道上浮

4．4．6 隧道弯矩

4．5 本章小结

第5章 基坑开挖对旁侧地铁隧道影响三维有限元数值模拟

5．1 概述

5．2 三维数值模拟简介

5．3 三维数值模型介绍

5．3．1 土体本构模型

5．3．2 几何模型

5．3．3 单元选取

5．3．4 计算参数

5．3．5 基坑开挖数值模拟方案

5．4 基坑开挖对旁侧隧道影响数值分析

5．4．1 隧道在不同埋深的变化影响

5．4．2 围护墙与隧道间距的影响变化

5．4．3 基坑开挖深度的影响变化

5．5 三维数值模拟结果分析

5．5．1 隧道上浮

5．5．2 隧道水平位移

5．5．3 基坑底回弹

5．5．4 围护墙水平位移

5．5．5 隧道弯矩

5．5．6 隧道周围土压力

5．5．7 数值模拟与离心模型模拟结果分析比较

5．6 本章小结

6．1 主要工作及结论

6．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历