地下隧道建造与地表交通设施交互影响研究

摘要

随着城市地表空间日趋饱和，地下空间开发需求日益强烈。我国主要城市都兴建了大量地下隧道、地下商场与管涵等建构筑物，且地下建筑常与地面建筑近距离接触，由此引发的地表环境与地下建筑交互影响问题受到人们的广泛关注。一方面地铁运行将引起周边建筑振动、给居民造成负面影响，同时地下隧道等开挖引起周边建筑物变形;另一方面地表交通荷载与施工荷载等也会对地下隧道的施工与运营造成较大影响。这些问题已成为当前的研究热点之一。本文基于现有的研究框架，开展了关于地下隧道建造与地表交通设施相互影响方面的研究工作，具体包括以下几个方面:
　　1、淤泥质地层具有含水量大、强度低等特点，给隧道开挖带来稳定、变形等方面的诸多困难，具有很大施工风险。本文结合杭州紫之隧道穿越淤泥质粘土施工背景，对隧道施工过程进行数值模拟，并采用HSS模型来考虑开挖过程软土变形与应变、应力路径相关的特性。对隧道采用CRD工法与大管棚超前支护施工进行模拟，并比较分析了地表全断面旋喷注浆加固与洞内全断面注浆两种地基处理方式下淤泥质土暗挖隧道变形，确定了地基最优处理措施。研究表明，地表全断面旋喷注浆加固可满足淤泥质土中隧道施工在稳定与变形等方面要求，并确定了最优桩径、桩间距等施工参数。现场测试表明隧道施工整体稳定，周边土体变形在可控范围内，保证了项目安全顺利施工。
　　2、建立了一个三维解析模型研究了地表移动荷载作用下饱和土地基的动力响应。基于Fourier级数展开法和三重Fourier变换求得了地基表面的速度响应和孔压响应。分析了荷载移动速度和土体渗透性对速度、孔压响应的影响。着重讨论了轨道-地基接触面水力边界条件对列车荷载下地基振动的影响。研究表明，在匀速荷载作用下，轨道-地基体系存在关键速度，当荷载移动速度等于关键速度时，体系发生共振;在简谐移动荷载作用下，地基表面竖向速度响应在f0=10Hz附近达到峰值，且水力边界条件对体系振动的影响随着荷载自振频率的增大愈加显著;另外当饱和土渗透性较大时，水力边界条件对体系振动响应的影响十分显著。
　　3、本文首次给出了地表移动荷载作用下半空间隧洞动力响应解析解，获得了地表移动荷载对地下隧洞动力响应的影响。基于弹性地基控制方程在直角坐标系和柱坐标系下的基本解及平面与柱面波函数波形转换，结合地基表面和隧洞柱面所施加的边界条件，在频域中求得移动荷载下半空间弹性地基与隧洞响应解析解答，并结合快速Fourier逆变换求得隧洞时域动力响应。计算分析了不同荷载移动速度与隧洞埋深下，隧洞表面位移、加速度和地基中动应力响应。研究表明，随着荷载移动速度增加，隧道拱顶地基中动应力与振动加速度均显著增加。地基中动应力随隧道埋深增加迅速衰减，隧洞加速度随埋深衰减相对较慢，但当隧洞埋深超过某一临界深度时，隧洞振动可低于我国规范规定限值。在低速范围，隧洞临界深度随荷载速度线性增加，但当荷载速度超过一定值，隧洞临界深度随着荷载速度呈指数型增长。
　　4、在之前研究的基础上，引入衬砌结构，建立了地表交通荷载作用下衬砌-弹性土半空间耦合的三维动力响应模型。将衬砌模拟为无限长圆柱壳，结合衬砌与弹性土接触面上的位移、应力连续边界条件实现衬砌-弹性土耦合。在Fourier变换域内求得了隧道的动力响应。阐明了地表交通荷载作用下波动传播规律，计算分析了衬砌厚度、隧道埋深和荷载移动速度对隧道动力响应的影响，同时获得了隧道初衬附加应力大小。研究表明，隧道振动响应随着荷载移动速度的增加显著增大，荷载移动速度引起的影响随着隧道埋深的增大逐渐减弱;当移动简谐荷载的自振频率较低时，隧道拱顶的加速度响应随衬砌厚度增大显著降低，但附加动应力随衬砌厚度增大显著增大;对于浅埋隧道，上部重型车辆高速行驶引起的附加动应力不容忽视。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地下隧道施工对地表环境影响研究现状

1．2．2 地表移动荷载引起的地基振动响应研究现状

1．2．3 地下和地表交通荷载引起的地下隧道振动响应研究现状

1．3 以往研究中存在的主要问题

1．4 本文研究内容

第2章 淤泥质土中隧道暗挖变形分析与控制

2．1 引言

2．2 隧道浅埋暗挖分析

2．2．1 工程概况

2．2．2 隧道施工方案

2．2．3 数值模型

2．3 数值模拟及参数分析

2．3．1 竖向旋喷桩桩距分析

2．3．2 竖向旋喷桩加固范围分析

2．4 现场监测结果

2．5 本章小结

第3章 地表移动荷载引起的地基振动响应研究

3．1 前言

3．2 控制方程及求解

3．2．1 控制方程

3．2．2 边界条件

3．2．3 方程求解

3．3 计算结果及分析

3．3．1 模型验证

3．3．2 移动常荷载引起的地基动力响应

3．3．3 移动简谐荷载引起的地基动力响应

3．3．4 列车荷载的激振频率对地表速度响应的影响

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 控制方程及求解

4．3 计算结果及分析

4．3．1 模型验证

4．3．2 算例分析

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 控制方程及求解

5．3 计算分析

5．3．1 固定简谐点荷载

5．3．2 移动简谐荷载

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 进一步工作建议

参考文献

附录