隧道施工地层变形与地表建筑物的动态相互作用研究

摘要

随着时代的发展和城市化进程的加速，国内诸多城市兴起修建地铁的热潮。城市地区建筑物密集，而进行地铁施工不可避免会对周边地表建筑物造成影响，甚至会使得建筑物发生严重破坏，丧失使用功能。隧道穿越建筑物施工过程中，核心问题是隧道-土体-建筑物的动态相互作用关系，研究三者之间的动态相互作用机理，分析其动态相互作用过程，对保护地表建筑物、确保施工全过程的安全性具有重要意义。本文采取随机介质理论、颗粒流分析、有限元分析等方法并结合工程案例，分析了隧道施工影响下隧道-地层-建筑物的动态相互作用关系。主要工作和研究成果如下:
　　(1)基于随机介质理论，编制MATLAB计算程序，分别计算了单线隧道与双线隧道开挖作用下，考虑隧道埋深、开挖断面大小、施工过程等不同影响因素对地表沉降变形规律的影响。采用PFC2D颗粒流分析软件，分别建立有无地表建筑物存在时的颗粒流模型，从宏观细观相结合的角度分析隧道开挖影响下隧道-地层-建筑物动态作用关系。分析认为，隧道开挖地层变形是从隧洞周边逐渐扩散至地表的，建筑物的存在使得相互作用关系更为复杂。
　　(2)采用有限元分析软件ABAQUS，建立隧道-地层-建筑物相互作用的二维模型，建筑物与土体之间采用接触连接模型，分析隧道开挖作用下三者之间的相互作用，并与没有地表建筑物存在的情况相比较，分析相互作用关系的异同。考虑不同的穿越关系，建筑物与地层之间在隧道埋深较浅的条件下会发生离层，采用接触模型分析三者之间的相互作用关系更为准确。
　　(3)采用有限元分析软件ABAQUS，建立隧道-地层-建筑物相互作用三维分析模型，分析不同工况下三者的相互作用关系，主要包括地质参数、隧道穿越角度以及双线隧道的不同开挖顺序。分析表明，隧道-地层-建筑物的动态作用关系体现在时空维度，不同开挖步序对建筑物位移内力造成不同的影响。
　　(4)结合厦门机场路浅埋大跨隧道穿越密集建筑群工程实例，分析隧道施工中建筑物变形情况，主要分析了浅埋大跨进口段34号楼的动态变形过程，并对在实际工程施工中采取的控制地层沉降和建筑物保护措施进行了分析，指出隧道施工是极其复杂的过程，影响因素众多，需要确定主要影响因素并采取适当的控制措施。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究的意义

1．2 国内外研究历史及现状

1．2．1 隧道施工导致地层沉降变形的研究现状

1．2．2 隧道施工对建筑物影响的研究现状

1．2．3 研究不足

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容及方法

1．3．2 技术路线

2．隧道施工对地层和建筑物的影响分析

2．1 基于随机介质理论的地表沉降研究

2．1．1 随机介质理论与方法

2．1．2 隧道埋深对地表移动和变形的影响

2．1．3 隧道开挖断面大小对地表移动和变形的影响

2．1．4 施工过程对地表移动和变形的影响

2．2 基于颗粒流软件的地层沉降机理研究

2．2．1 颗粒流分析原理

2．2．2 建模及参数选取

2．2．3 结果分析

2．3 基于颗粒流的隧道-地层-结构相互作用分析

2．3．1 建模及参数选取

2．3．2 单线隧道开挖相互作用关系分析

2．3．3 双线隧道开挖隧道-地层-建筑物相互作用分析

2．4 本章小结

3．基于二维模型的隧道-地层-建筑物相互作用分析

3．1 模型选取和方案设计

3．2 埋深对隧道-地层-建筑物相互作用影响分析

3．2．1 地表沉降分析

3．2．2 地层应力分析

3．2．3 地层-结构接触面分析

3．2．4 建筑物响应分析

3．3 隧道与建筑物位置关系分析

3．3．1 地表沉降分析

3．3．2 地层应力分析

3．3．3 地层-结构接触面分析

3．3．4 建筑物响应分析

3．4 不同隧道间距分析

3．4．1 地表沉降分析

3．4．2 地层应力分析

3．4．3 地层-结构接触面分析

3．4．4 建筑物响应分析

3．5 本章小结

4．基于三维模型的隧道-地层-建筑物相互作用分析

4．1 计算模型

4．2 隧道穿越角度对地表建筑物影响分析

4．2．1 计算工况和隧道开挖过程模拟

4．2．2 建筑物基础沉降

4．2．3 建筑物倾斜分析

4．2．4 建筑物扭曲变形

4．2．5 结构内力变化

4．3 不同地质参数下穿越计算分析

4．3．1 隧道-地层-建筑结构相互作用过程分析

4．3．2 建筑物基础沉降分析

4．3．3 建筑物倾斜分析

4．3．4 结构内力变化

4．4 双线隧道穿越过程计算分析

4．4．1 建筑物基础沉降

4．4．2 建筑物倾斜分析

4．4．3 建筑物的扭转变形

4．4．4 结构内力分析

4．5 本章小结

5．工程实例分析

5．1 工程概况

5．1．1 34号楼概况

5．1．2 地质情况及评价

5．1．3 隧道开挖方案

5．2 数值模拟分析

5．2．1 模型基本假定及建模基本说明

5．2．2 计算模型及边界条件

5．2．3 计算结果及分析

5．3 地层变形控制与建筑物保护措施

5．3．1 地表预注浆

5．3．2 地面硬化处理

5．3．3 隧道施工方案及主要措施

5．4 地表及建筑物实际变形分析

5．5 本章小结

6．1 研究结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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