【博士】交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究【2010】

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内容简介

　　学科专业：工程力学　　授予学位：博士　　学位授予单位：中山大学　　学位年度： 2010年　　地铁隧道的交叉穿越已成为当前城市建设中的热点议题，也是地下工程研究中的前沿课题之一。交叉隧道盾构施工是盾构、土体及既有结构三者共同作用的问题，交叉隧道盾构施工引起地层的位移将会引起邻近既有结构的变形，甚至造成灾害；而既有结构通过改变土体的位移场对盾构施工产生影响；并且在各种影响因素变化的作用下，交叉隧道盾构施工对既有结构的扰动也随之变化。目前对交叉隧道盾构施工作用机理还没有进行深入系统的研究，涉及复合地层中的交叉隧道盾构施工扰动影响研究较少；交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互作用机理还没有完全弄清楚；常用的分析既有隧道沉降变形的有限元法，由于合适的土体本构关系和计算参数难于准确确定，使其应用受到限制，发展新的计算方法以预计隧道下穿施工引起的既有隧道变形，对于正确评价既有隧道所受影响是十分必要的。为此，本文对交叉隧道盾构施工与周围环境相互作用机理与沉降计算控制进行了深入研究。开展了考虑不同影响因素变化时的交叉隧道盾构施工对既有隧道扰动的三维数值模拟研究，探讨了交叉隧道盾构施工对既有隧道扰动的量化规律；并将随机介质理论引入到交叉隧道盾构施工引起的既有隧道沉降计算中，建立了既有隧道沉降计算模型；开展了交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互作用研究。本研究不仅可以丰富地下空间和岩土力学相关理论与方法，而且，可为交叉隧道的设计与施工提供理论依据，也为地下空间开发利用提供十分有价值的理论指导。　　本文主要取得以下研究成果：　　1．基于交叉隧道盾构施工力学作用机理，对交叉隧道盾构施工与周围环境的相互作用机理进行了理论研究，分别探讨了交叉隧道盾构施工与既有隧道的相互作用机理以及交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互作用机理。　　2．基于交叉隧道盾构施工引起的地表及既有隧道沉降随盾构掘进的变化曲线，研究了盾构隧道下穿施工扰动的时间及空间效应，下穿施工的时间效应表现在新建隧道盾构进入下穿影响区域前、盾构进入下穿影响区域时、盾构通过下穿点、盾尾空隙沉降及后续沉降五个不同的交叉隧道盾构施工阶段；交叉隧道盾构施工的空间效应主要与隧道覆土厚度、间距及交叉角度有关。　　3．在交叉隧道盾构施工影响因素分类研究的基础上，利用盾构施工动态过程的三维有限元模拟方法，开展了各种影响因素变化的情况下，交叉隧道盾构施工对既有隧道沉降影响的三维有限元模拟研究，探讨了交叉隧道盾构施工对既有隧道扰动的量化规律。　　4．基于沿海地区地铁建设多在复合地层中施工的特点，建立了近似均一地层、上软下硬地层和长距离硬岩段三类复合地层盾构施工的地质概化模型，研究了不同的复合地层类型对交叉隧道盾构施工扰动影响，进而提出了复合地层中盾构推进技术措施。　　5．基于交叉隧道盾构施工引起的既有隧道变形特征，引入随机介质理论，建立了既有隧道沉降计算的随机介质模型，通过反分析方法确定了模型基本参数，利用MATLAB编程计算既有隧道沉降，并通过工程实例验证了该模型的可靠性；基于交叉隧道盾构施工沉降控制关键问题，研究了相应的沉降控制措施。　　6．在邻近不同位置建筑物工况下的交叉隧道盾构施工三维有限元模拟的基础上，研究了交叉隧道中新、旧隧道、土体和建筑物四者之间的相互作用，探讨了交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互影响规律和范围。在此基础上，提出了减少建筑物沉降措施。　　

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