上软下硬地层大断面隧道改进PBA工法施工动态分析

摘要

大连地铁隧道所处地质条件极为复杂，施工难度大，如何在众多施工方案中选择一种合理的工法对于地铁车站建设是至关重要的。本文以大连地铁学苑广场车站工程为背景，针对其上软下硬的地质特点，通过采用地质勘探、数值模拟等研究手段结合现场监测，创新性地提出了适用于本工程的改进PBA工法。利用有限差分软件FLAC3D进行模拟论证和方案优化。研究成果对隧道的施工方案选择和围岩稳定性具有重要的指导意义。主要内容和成果如下:　　(1)对于上软下硬地层大跨度车站的施工工法，在国内外尚无成熟规范。首先，本文对比分析了传统施工方法在大连地铁施工中的局限性。中洞法和CRD法施工工序繁杂，且不能满足变形要求，而传统PBA工法也只适用于软土地层，存在成本过高和效率低下的问题。然后，针对车站上软下硬的地质特点，经过论证和研究，以坚硬的围岩体代替边柱，省去两侧底部导洞的开挖工序，创新性地提出了适用于学苑广场地铁车站建设的改进PBA工法。最后，给出了改进PBA工法的施工步骤。　　(2)结合实际监测对改进PBA工法进行动态施工分析。建立学苑广场车站的三维数值模型，按照改进PBA工法施工步骤进行模拟，分别对比分析了车站的地表、拱顶、洞周收敛的位移变化规律，研究结果表明沉降值与监测结果吻合较好。总结了改进PBA工法塑性区的变化规律，该工法能较好地控制围岩变形，但扣拱中线附近的施工尤其是薄弱环节，是重点关注对象。　　(3)针对大跨度车站的局部安全性问题，单元状态指标分析方法可以反映局部围岩破坏情况。首先，对改进PBA工法导洞的施工顺序进行优化，然后，对施工过程中风险较大的扣拱区域进行注浆模拟，结合单元状态指标确定最优的注浆方案。最后，对车站高边墙地下洞室锚杆施工方案进行优化，确定最优锚杆长度。研究的优化方案被施工采纳，取得良好的经济效果。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 PBA工法车站施工研究现状

1．2．2 隧道的施工监控量测技术

1．2．3 围岩稳定性安全评价研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 理论基础

2．1 隧道施工理论

2．1．1 隧道施工方法简介

2．1．2 隧道施工力学基本原理

2．1．3 隧道监测的目的与意义

2．2 上软下硬地层大断面隧道三维模型计算方法

2．2．1 快速拉格朗日计算法

2．2．2 莫尔-库伦及应变软化本构模型

2．3 围岩稳定性评价指标

2．3．1 单元状态指标ZSI

2．3．2 单元状态指标ZSI在FLAC3D中的实现

2．4 本章小结

第3章 上软下硬地层大断面隧道改进PBA工法的提出

3．1 工程概况

3．1．1 工程背景简介

3．1．2 工程地质和水文地质

3．1．3 工程难点

3．2 传统地铁工法的局限性

3．2．1 中洞法特点及施工步骤

3．2．2 CRD工法特点及施工步骤

3．2．3 传统PBA工法特点及施工步骤

3．3 改进PBA工法提出

3．4 改进PBA工法步骤

3．5 本章小结

第4章 基于三维数值模拟的改进PBA工法动态施工分析

4．1 动态施工分析流程

4．2 现场监测方案

4．3 数值模型的建立

4．3．1 车站内部结构

4．3．2 数值模型建立

4．4 计算结果与监测数据对比

4．4．1 拱顶沉降分析

4．3．2 水平收敛分析

4．3．3 地表沉降分析

4．3．4 施工过程塑性区分析

4．5 本章小结

第5章 基于单元状态指标的改进PBA工法方案优化

5．1 单元状态指标方法原理及优势

5．2 导洞施工顺序的优化分析

5．2．1 围岩拱项沉降位移结果分析

5．2．2 围岩水平位移结果分析

5．2．3 围岩塑性区分析

5．2．4 单元状态指标稳定性评价

5．3 扣拱注浆方案优化分析

5．4 高边墙锚杆方案优化分析

5．5 施工效果评价

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究生履历