超大规模地下铁路车站大跨度穹顶结构力学性能及施工方案优化研究

摘要

新京张城际铁路八达岭地下车站建于八达岭风景区的山体之中，作为高速铁路车站，这种工程在国内乃至全球都是极其罕见的。车站中创新性的设计了大跨度穹顶结构作为车站顶棚，在建筑学角度为车站增添了美观的元素，符合八达岭旅游风景区的整体风格，是整个车站设计的亮点之一;但是从结构设计与施工角度来说是一个新的挑战。跨度超过40米的岩体穹顶结构应用在地下车站结构中极为罕见，同时施工难度也大大增加。
　　本文以新建京张城际铁路八达岭地下车站开挖为工程背景，针对大跨度地下穹顶结构开挖方案展开研究，采用Midas/GTS有限元分析软件对其进行模拟计算，并得出一些在施工过程中可以参考的依据和规律。主要工作如下:
　　(1)综述了当前国内外类似工程概况和水利水电工程中穹项结构施工的一些基本施工方法，为新京张城际铁路八达岭车站站厅层穹顶结构施工方案的选取提供借鉴和参考;
　　(2)提出了中导洞法和侧导洞法这2种大跨度穹顶结构的开挖方案并进行数值模拟，详细分析了地表沉降、洞室周边位移、塑性区产生范围、支护结构受力位移等指标，分别得到其开挖过程中的一些规律。中导洞法施工地表最大沉降为2.08mm、侧导洞法施工地表最大沉降为1.82mm;中导洞法围岩最大沉降为8.04mm，侧导洞法围岩最大沉降为11.15mm。
　　(3)对所提出的施工方案进行各项指标之间的对比，最终得出侧导洞为所提方案中相对最优的施工方案，并对优选方案进行了进一步的分析。
　　以上研究成果对拟建的八达岭地下车站大跨度穹顶结构有一定工程指导作用，同时可为类似的地下结构的合理设计提供指导作用。

目录

声明

致谢

摘要

1．引言

1．1．选题背景

1．2．研究意义

1．3．国内外类似工程概况及研究现状

1．3．1．国内类似工程概况及研究现状

1．3．2．国外类似工程概况及研究现状

1．4．常见地下工程施工方法分类

1．4．1．山岭隧道施工方法分类

1．4．2．地下车站施工方法分类

1．4．3．地下穹顶结构施工

1．5．本文的研究方法

2．地下工程围岩稳定性计算理论

2．1．地下工程围岩稳定性

2．2．地下结构计算基本理论

2．2．1．地下工程施工的力学过程

2．2．2．地下工程施工计算的基本假定

2．2．3．洞室开挖后的二次应力状态

3．八达岭车站地质水文特征

3．1．工程概况

3．2．自然特征

3．2．1．地形地貌

3．2．2．气象特征

3．2．3．地震动参数

3．3．工程地质特征

3．3．1．地层岩性

3．3．2．地质构造

3．4．水文地质特征

3．4．1．水文测井与钻探对比分析

3．4．2．水文地质参数

3．5．地下工程地质条件分析评价

3．5．1．地下工程总体评价

3．5．2．围岩评价和分级

4．车站结构设计方案与施工方案

4．1．车站结构设计方案

4．1．1．车站整体设计

4．1．2．站台层设计

4．1．3．站台层设计

4．1．4．换乘电梯与地面站房设计

4．2．车站施工方案

4．2．1．结构断面形式及支护方案

4．2．2．施工工法

4．2．3．施工筹划组织

5．穹顶结构数值模型的建立

5．1．岩土工程数值模拟方法及常用软件

5．1．1．有限单元法

5．1．2．其他数值方法简介

5．1．3．常用的数值模拟软件一览

5．2．建立模型前的资料准备

5．2．1．研究对象

5．2．2．基本理论及本构模型

5．2．3．计算假定

5．2．4．计算参数的选定

5．2．5．边界约束条件

5．3．模型建立和网格划分

5．3．1．中导洞法施工工序划分

5．3．2．侧导洞法施工工序划分

6．数值模拟计算结果及分析

6．1．中导洞法计算结果及分析

6．1．1．围岩变形分析

6．1．2．围岩应力分析

6．1．3．塑性区特征

6．1．4．支护分析

6．2．侧导洞法计算结果及分析

6．2．1．围岩变形分析

6．2．2．围岩应力分析

6．2．3．塑性区特征

6．2．4．支护分析

6．3．施工方法比选

6．4．施工方案的进一步优化分析

6．4．1．扇面开挖顺序划分

6．4．2．施工过程的数值模拟结果

6．4．3．数值模拟计算结果偏差分析

6．4．4．爆破振动控制

6．4．5．小结

7．结论与展望

7．1．主要研究结论

7．2．存在问题及展望

参考文献

作者简历

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