大断面小净距隧道穿越复杂建（构）筑物群安全风险管理分析及其控制

摘要

隧道工程本身具有很强的复杂性和不确定性，特别是隧道在穿越既有人防空洞过程中，由于人防空洞的影响，使得本已复杂的问题更具风险。再加之城市地表建筑物密集，基础和上部结构形式多样，对其安全性的影响始终都贯穿于整个隧道建设过程中。随着我国隧道建设的发展，这种情况将会越来普遍，所带来的问题也将日益突出。因此，研究隧道穿越既有人防空洞及其对地表建筑物的影响及其控制具有重要的理论意义和现实意义。
　　本文依托大连胜利路南山隧道工程，隧道附近地表房屋比较密集，周边存在复杂的人防空洞。论文在大量查阅国内外资料的基础上，采用理论分析、数值模拟及现场实测相结合的方法，对城市隧道穿越既有人防空洞工程所涉及的基础理论进行了深入研究，并对所涉及关键技术和核心问题进行了系统分析，取得了如下列成果:
　　1、建立了小净距隧道-人防空洞-地表建筑物的动态相互作用体系，提出其相互作用体系包括四个方面的内容，揭示了地层结构作为连接三者之间的纽带，其演化规律是整个相互作用体系的核心问题。小净距隧道-人防空洞-地表建筑物的相互作用的根源是隧道开挖造成的地层变形不断传递的结果，为了分析整个相互作用体系的关联机制，通过数值计算研究了隧道开挖对体系中各个元素的影响，根据各元素周边轮廓点的位移分布情况对相应的重点控制区域给出了建议。
　　2、通过对隧道穿越人防空洞力学模型进行分析，确定该模型是近接施工模型和地层空洞模型的综合体。并将其抽象成小间距隧道模型，借鉴物理学相邻电场的研究方法，通过双极坐标系对简化模型进行地层应力和中央岩墙的稳定性进行理论推导。给出了洞径大小、岩墙厚度、侧压系数、支护反力和围岩级别对中央岩墙受力状态的影响规律，并给出了岩墙稳定性判别方法和计算流程。
　　3、通过对现有分区准则的研究并结合数值计算，得到不同空间分布规律和几何关系的的新建隧道与人防空洞相互作用关系。得到了新建隧道穿越人防空洞影响分区，并进一步对隧道-人防空洞-建筑物相互作用机理进行了分析。
　　4、通过分析隧道穿越复杂建（构）筑物群的安全风险影响因素，提出安全风险评价指标体系;运用模糊数学理论评估复杂建（构）筑物群安全风险，建立适合复杂建（构）筑物群风险特点的模糊综合评价模型;以此为基础来评估南山隧道的环境安全风险，从而确定隧道施工影响范围内既有建（构）筑物的安全风险等级。
　　5、通过分析各种不同建（构）筑物的破坏模式及相关建筑环境，建立起建（构）筑物的有限差分模型，并对可能出现的各种工况进行比对，得到了既有建筑物、人防空洞的相关环境安全控制标准;爆破环境安全控制标准则严格遵循已有的各相关规定。
　　6、采用理论分析、数值计算并结合相关工程经验，将复杂建（构）筑物群的总变位控制值合理分解至最优施工方案下的每一个施工步中，并按变形量比率将总控制标准分配到各施工步中，建立各分步变位控制标准;然后按照各个施工步的变位分配标准，进行阶段性环境风险控制。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道施工对地层变形的影响研究

1．2．2 近接施工相关理论及研究现状

1．2．3 隧道穿越地层空洞等不良地质体研究现状

1．3 研究中存在的问题

1．4 论文主要研究内容

1．5 论文技术路线及研究方法

2．地层变形与建筑物动态相互作用关系研究

2．1 隧道-人防空洞-地表建筑物动态相互作用体系

2．2 隧道-人防空洞-地表建筑物变形分布特性

2．2．1 建筑物变形分布特性

2．2．2 小净距隧道变形分布特性

2．2．3 人防空洞变形分布特性

2．3 隧道近距离穿越人防空洞简化模型研究

2．3．1 双极坐标系

2．3．2 应力函数与应力分量

2．3．3 待定参数确定

2．3．4 应力分量的坐标转换

2．3．5 塑性应力状态

2．4 本章小结

3．隧道穿越人防空洞动态相互作用研究

3．1 中央岩墙受力状态影晌因素分析及稳定性判别

3．1．1 洞径大小的影响规律

3．1．2 岩墙厚度影响规律

3．1．3 侧压力系数影响规律

3．1．4 支护反力影响规律

3．1．5 围岩级别的影响

3．1．6 岩墙稳定性判别

3．2 隧道近距离穿越人防空洞影响分区研究

3．2．1 现有分区准则

3．2．2 隧道穿越人防空洞数值计算分析

3．2．3 隧道穿越人防空洞影响分区结论

3．3 本章小结

4．隧道穿越复杂建(构)筑物群风险安全风险评估

4．1 既有建(构)筑物风险的影响因素分析

4．1．1 地质水文条件

4．1．2 新建隧道状况

4．1．3 既有建(构)筑物状况

4．1．4 隧道与建(构)筑物的空间位置关系

4．2 风险评估指标体系

4．2．1 风险评价指标的选择

4．2．2 评价指标的安全等级划分

4．3 南山隧道工程安全风险评估

4．3．1 工程现状调研分析

4．3．2 安全风险评估

4．4 本章小结

5．隧道穿越复杂建(构)筑物群环境安全控制标准制定

5．1 控制标准的制定方法

5．1．1 基本原则

5．1．2 基本程序

5．1．3 应用流程

5．2 既有建筑物环境安全控制标准制定

5．2．1 建筑物的破坏模式和特点分析

5．2．2 地表建筑物与隧道情况

5．2．3 建筑物控制指标及其标准值的确定方法

5．2．4 模型计算与控制标准的确定

5．3 人防空洞环境安全控制标准制定

5．3．1 砌体结构本构关系及破坏准则

5．3．2 隧道施工影响下人防空洞衬砌结构破坏模式分析

5．3．3 所处位置的工程概况及防空洞对隧道的影响

5．3．4 模型计算与控制标准的确定

5．4 本章小结

6．隧道穿越复杂建(构)筑物群过程控制研究

6．1 变位分配力学原理

6．1．1 地层变形的应力路径相关性分析

6．1．2 开挖卸载产生变形累积分析

6．1．3 开掺卸载产生的能量耗散分析

6．2 复杂建(构)筑物群变位分配方法

6．2．1 变位分配基本思路

6．2．2 变位分配控制过程

6．2．3 变位控制曲线设计

6．3 过程控制标准制定实例应用

6．3．1 工程概况

6．3．2 隧道工程总体施工方案

6．3．3 总体施工方案优化

6．3．4 分步变位分配曲线设计

6．4 本章小结

7．施工中的监控量测和信息反馈

7．1 工程环境风险分析及控制技术措施

7．1．1 小净距隧道环境风险分析及控制技术措施

7．1．2 既有建筑物环境风险分析及控制技术措施

7．1．3 既有人防空洞环境风险分析及控制技术措施

7．2 工程环境风险影响监测方案

7．2．1 监测目的

7．2．2 地表沉降监测方案

7．2．3 建筑物沉降及裂缝监测方案

7．2．4 新建隧道变形监测方案

7．2．5 人防空洞变形监测方案

7．2．6 爆破振动监测方案

7．3 工程环境风险监测结果分析

7．3．1 既有密集建筑物区域监测结果分析

7．3．2 既有人防空洞监测结果分析

7．3．3 新建隧道监测结果分析

7．3．4 爆破振动监测结果分析

7．4 本章小结

8．1 主要结论

8．2 展望

参考文献

作者简历

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