长距离地下通道开挖对共线地铁隧道影响实测及理论研究

摘要

本文依托深圳桂庙路快速化改造一期二、三标项目，研究了长距离地下通道开挖对共线下卧隧道的影响以及相应的控制措施。主要成果如下:
　　(1)通过二维、三维有限元软件，对深圳桂庙路快速化改造项目典型断面进行数值模拟，探讨地下通道开挖对下卧隧道变形的影响规律。研究发现，隧道下卧于基坑的情况下，基坑开挖卸载引起隧道的变形以竖向变形为主。当基坑开挖深度一定，隧道与基坑相对位置相似时，隧道变形随基坑开挖宽度即卸土量呈正相关。当隧道位于基坑下方时，基坑宽度对隧道竖向变形的影响大于水平变形，而隧道位于基坑侧面时，基坑宽度对隧道水平变形的影响大于竖向变形。结合现场实测数据验证发现开挖深度与隧道深度比值Hc/Ht小于0.73（由最大比值并略微保守取值得到）时，开挖对下卧隧道纵向影响范围为开挖位置周边40m左右，40m以外的开挖施工对下卧隧道变形影响较小。此外，由于深圳花岗岩残积土结构性的影响，实际工程中隧道水平变形普遍较小，数值模拟会高估隧道水平变形。
　　(2)基于长距离基坑开挖过程中下卧地铁隧道内自动监测和光纤监测实测数据分析，探讨基坑开挖过程中隧道变形、横纵向拼接缝宽度及应力的变化规律。实测数据表明，随着基坑开挖暴露坑底、底板浇筑、结构施作等施工步骤的进行，隧道变形呈现三阶段形式:上浮段、稳定段、回落段。上浮段主要由于基坑开挖卸载地基土回弹引起，基坑开挖完成后下卧隧道变形仍发展迅速，直至底板浇筑后趋于稳定，隧道上浮较基坑开挖表现出一定滞后性;稳定段，基坑开挖距离监测点较远影响较小且附近断面底板浇筑，两者共同影响使得隧道变形趋于稳定;回落段，施工持续进行，主体结构施工，隧道上方荷载增加，变形逐渐回落。隧道管片接缝、应力变化趋势与基坑开挖情况对应。开挖完成时，管片应力变化最大值约8.3MPa，横向接缝变化最大值为0.85mm，纵向接缝变化最大值0.65mm。
　　(3)采用有限元数值模拟方法研究了基坑开挖不同留土方式、不同开挖层高、不同开挖步长以及不同加固方案对隧道变形的控制效果。研究表明，基坑开挖除纵断面分步开挖外，在横断面考虑留土开挖对隧道变形也有一定的控制效果，实际工程中可建议采用近隧道式留土开挖，若隧道竖向变形过大，可采用中心岛式留土开挖进一步控制隧道变形。基坑开挖因开挖深度较大需分层开挖，不同开挖层高对隧道变形存在影响。实际施工推荐采用4m层高8m步长进行开挖施工，该方案与2m层高8m步长效果相差无几但开挖到底整体范围较短，利于施工。基坑开挖采用不同步长时，8m步长较10m步长，因开挖范围较小，隧道存在纵向应变协调，开挖过程对下卧隧道变形影响较小。比较了门式加固、满堂加固、完整门式加固、栅栏式加固、全断面门式加固共五种加固方案，各加固方案相比无地基加固对隧道变形均有较好的控制效果。其中门式加固较其他加固方案控制效果更为显著，可使隧道竖向变形减小约47.8％。隧道注浆加固虽然对隧道变形控制有利且优于所有地基加固方案的效果，但由于注浆实际工程中均匀性难以控制且注浆过量等操作不当易对隧道结构产生损伤，不宜作为主要隧道变形控制手段，可作为辅助保护方案进行。
　　综上所述，本文研究了长距离地下通道开挖对共线地铁隧道的影响，提供了实际施工中合适的隧道变形控制措施，为以后相关工程提供参考，具有较强的工程实践意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 花岗岩残积土特性

1．2．2 数值模拟中本构模型

1．2．3 基坑开挖对邻近隧道的影响

1．2．4 既有隧道变形控制措施

1．3 存在问题

1．4 本文主要内容

2．1 概述

2．2 项目概况

2．3 工程地质条件

2．4 地下通道

2．5 既有地铁隧道

2．6 控制标准

2．7 地基加固

2．8 本章小结

第3章 长距离地下通道开挖对共线隧道影响数值模拟分析

3．1 概述

3．2 二维数值模拟分析

3．2．1 研究分析方法

3．2．2 模拟分析典型断面

3．2．3 数值模拟参数

3．2．4 各工况施工步骤

3．2．5 二维模拟计算结果

3．3 三维数值模拟分析

3．3．1 模型参数

3．3．2 三维模型

3．3．3 三维模拟计算结果

3．4 本章小结

第4章 长距离地下通道开挖对共线隧道影响实测分析

4．1 概述

4．2 监测内容

4．3 传感器原理及参数

4．3．1 隧道变形自动化监测

4．3．2 BGK-FBG-4000型光纤光栅应变计

4．3．3 BGK-FBG-4420型光纤光栅裂缝计

4．4 监测点布置方案

4．4．1 隧道变形自动化监测

4．4．2 地铁11号线光纤监测

4．5 监测措施安装

4．5．1 传感器安装

4．5．2 传感器线缆布置

4．5．3 采集仪安装与调试

4．6 隧道变形实测数据

4．6．1 断面监测数据

4．6．2 隧道纵向监测数据

4．6．3 光纤监测数据

4．7 监测数据与模拟结果对比

4．8 本章小结

第5章 长距离地下通道开挖共线隧道变形控制措施研究

5．1 概述

5．2 模型概况

5．3 断面留土开挖对下卧隧道变形影响

5．3．1 留土工况

5．3．2 开挖留土模拟结果

5．4 开挖层高及步长对下卧隧道变形影响

5．4．1 三维模型及开挖方案

5．4．2 施工步骤

5．4．3 数值模拟结果及分析

5．5 加固方案对下卧隧道变形影响

5．5．1 加固方案

5．5．2 施工步骤

5．5．3 数值模拟结果及分析

5．6 本章小结

6．1 主要工作与结论

6．2 进一步工作展望

参考文献

附录

作者简历