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原文传递软土地层盾构隧道上部开挖卸载扰动位移特性及灾变研究

论文题名：	软土地层盾构隧道上部开挖卸载扰动位移特性及灾变研究
关键词：	软土地层;地铁盾构隧道;开挖卸载;扰动位移;灾变演化
摘要：	围绕流变性软土地层地铁隧道上部基坑开挖卸载扰动位移的空间分布和时间效应、施工方式及参数敏感性、结构稳定性、灾变演化的预测和防范等关键理论和技术问题，在充分调研的基础上，采用理论分析、相似模型试验、数值模拟、现场实测等综合研究方法，针对地表开挖卸载扰动位移基本规律、上部土体开挖扰动位移特性、施工方式对卸载扰动位移影响、加固方式适用性及其优化、土体流变特性对基坑开挖卸载扰动位移的影响、开挖卸载扰动位移及其灾变演化预测进行了系统研究。取得了相应有创新意义和实用参考价值的研究成果。　　（1）通过一般性软土地层基坑开挖扰动位移的几何尺度效应、土体变形特性参数和强度特性参数敏感性的数值模拟分析，揭示了基坑开挖扰动位移空间效应中存在的充分卸载状态及其峰值位移的演变趋势。建立了扰动位移峰值与基坑宽深比之间幂指数函数相关关系并针对实际应用进行了相关参数的敏感性分析。对超大型基坑工程设计与施工具有指导意义。　　（2）依据软土地层典型基坑开挖背景，通过三维相似模型试验，系统研究了典型开挖方式条件下基坑施工全过程周边土体扰动位移空间分布、时效关系及其施工步段的阶段性特征。论证了基坑开挖土体扰动位移主要受上部卸载瞬时弹性恢复及土体流变特性时效位移宏观组成及其力学成因。　　（3）通过试验数据回归模拟，揭示了施工全过程土体蠕变位移及累计位移随时间变化可用反曲函数统一表达，而任意深度分层土体沉降位移可用Guss函数统一表达等位移演化规律。建立了土体蠕变位移、累计位移时变关系及基坑断面竖向位移空间分布等的定量计算方法。研究结果可为软土地层基坑开挖土体位移的空间分布及时效性等预测提供理论支撑。　　（4）系统研究了基坑开挖全过程基坑周边土体及下部隧道结构的扰动位移分布特征及其随施工过程动态演化规律。建立了基坑横断面位移空间分布的Guss函数类相关关系，提出了任意深度分层沉降位移、流变影响下的沉降位移可分别用位移时效系数和位移深度衰减系数进行定量修正计算的实用方法。　　（5）比较系统地研究了上部基坑开挖卸载作用下，下部隧道扰动位移的基本特性及其风险趋势。明确指出了上部基坑开挖卸载将不可避免地显著加大隧道底板及地铁线路结构的上浮位移，增加地铁运营附加安全风险；任何加固方式，都无法从实质上改变基坑开挖过程隧道总体上浮的力学行为，只是不同程度地减缓扰动影响，从而不同程度地降低地铁运营安全风险。有针对性的加固方式，可有效降低下部隧道安全风险。　　（6）建立了两种有典型意义和良好适用范围的基坑开挖长时位移及风险的预测计算方法（基于软土蠕变模型与FEM相结合的土体长时位移计算方法、基于类比试验与原位监测相结合的基坑开挖扰动位移时间效应的预测计算方法）。有效解决了基坑工程初步设计或施工组织设计阶段提前预测施工方案的可能导致的长时位移和技术风险以及施工期实时监测快速反馈预测和控制位移、实时优化施工方式和施工参数。通过累积位移监测数据及确定位移时间相关关系控制下的分段模拟，有效提高后续工序位移变化规律及其最大值预测的准确性，为施工全过程位移及工程风险控制提供可靠支撑。　　研究结果在上海地铁10号线工程、宁波地铁工程、上海虹桥国际文化城超大基坑工程等重大工程中成功应用。结果表明，本研究总结的试验规律、理论成果与工程现场监测结果良好吻合。为依托工程中具有流变特性的软土地层基坑开挖位移预测计算、围护加固方案的选择与优化、环境风险的评价与预控提供了借鉴。
作者：	范建军
专业：	岩土工程
导师：	黄醒春
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文