论文题名: | 隧道开挖引发上部既有隧道纵向结构响应研究 |
关键词: | 隧道开挖;既有隧道;纵向结构;动态响应;二次补偿注浆 |
摘要: | 近年来,伴随着地下交通基础设施的大规模建设,邻近既有隧道的新建隧道施工日益增多。新建隧道的开挖将打破周围土体原有的应力平衡状态,进而导致上部既有隧道产生变形和结构病害。为保证既有隧道结构安全,针对新建隧道-土体-既有隧道相互作用的研究逐渐成为热点。本文在前人研究的基础之上,采用解析理论、概率分析和实测分析等手段,对下方新建隧道开挖影响下的既有隧道纵向结构响应开展深入研究,以完善现有的理论分析方法,为既有隧道变形控制提供理论支撑和工程指导。主要的研究工作和创新成果如下: (1)建立了考虑新建隧道引发土体不均匀变形的既有隧道纵向结构响应理论计算方法。首先结合Loganathan-Poulos解和积分方法,得到能够考虑土体不均匀变形模式的新建隧道开挖引发自由土体位移计算方法。之后,基于Timoshenko梁理论和Winkler地基模型给出既有隧道纵向结构响应解析解答,并利用实际下穿工程实测数据对计算方法进行验证。研究发现,所建立的方法可以在一定程度上反映新建隧道下穿后既有隧道纵向沉降和内力曲线可能出现的不对称形态。忽略新建隧道水平位移的影响可能会低估既有隧道的沉降和内力,导致计算结果偏危险。 (2)由于隧道开挖工法的变化、隧道衬砌加固或沉降缝的存在,隧道纵向结构刚度可能会存在突变。基于Timoshenko梁理论,结合刚度突变处的弹簧连接假定与内力连续条件,推导得到了考虑既有隧道纵向结构刚度突变的新建隧道-土体-既有隧道相互作用解析解。通过解析解退化和数值模型验证了解析解的正确性,并利用两个算例进一步研究既有隧道具有单一刚度突变以及具有加固段情况下的归一化纵向结构响应规律。研究表明,新建隧道下穿位置越靠近既有隧道刚度突变位置,既有隧道小刚度段的内力响应越剧烈。既有隧道加固段长度与加固段刚度需互相匹配,以保证加固措施的有效。 (3)提出了考虑土体弹性模量纵向变异性的既有隧道纵向响应理论分析方法。首先建立了考虑地基反力系数纵向变化的新建隧道-土体-既有隧道相互作用计算模型,并利用既有解析解进行验证。之后将该模型与随机场理论相结合,以研究土体弹性模量纵向变异性对既有隧道纵向响应的影响。基于实际工程案例的参数分析研究发现,土体弹性模量的纵向波动范围以及变异系数越大,归一化既有隧道最大响应的离散程度越大。新旧隧道之间的竖向净距越小、夹角越大、土体弹性模量的平均值越小,土体弹性模量的纵向变异性对既有隧道响应的影响越强。与Timoshenko梁模型相比,Euler-Bernoulli梁模型的计算结果会高估土体弹性模量随机场下的既有隧道纵向响应的离散程度。 (4)建立了双线隧道下穿引发既有盾构隧道纵向变形的概率分析模型。采用指数曲线公式量化第一、二条隧道施工引起的土体损失率之间的差异,提出双线隧道开挖引发的既有隧道纵向变形确定性理论计算方法。在确定性方法基础上,结合稀疏混沌多项式展开以及蒙特卡洛模拟方法建立考虑土体和隧道结构参数不确定性的概率分析模型。通过参数分析可知,既有隧道沉降的不确定性主要受自由土体沉降相关参数的不确定性的影响,而既有隧道环缝变形的不确定性主要来源于土体-既有隧道相互作用相关参数的不确定性。新建双线隧道之间水平距离越大,目标失效概率水平下的土体损失率允许值越大。新旧隧道之间的夹角减小时,整个系统的失效逐渐由隧道沉降失效模式控制。 (5)以杭州软土地区文一路地下通道大直径盾构隧道下穿既有地铁2号线隧道工程为依托,利用实测分析手段,研究了新建隧道下穿施工期间既有隧道的纵向变形特性、形成机理以及施工控制措施。结合长期监测数据,对既有隧道的长期变形响应以及二次补偿注浆治理措施进行了分析。研究发现,由于新建隧道的浮力效应,既有隧道在新建隧道盾构盾尾离开阶段出现了明显的隆起变形。增加竖向净距、增大盾构盾尾上部同步注浆孔注浆量以及增加浆液抗剪强度是控制新建隧道上浮以及既有隧道隆起变形的有效措施。既有隧道长期沉降在二次注浆结束3个月后逐渐稳定,最大沉降被最终控制在允许范围内。 |
作者: | 甘晓露 |
专业: | 岩土工程 |
导师: | 龚晓南 |
授予学位: | 博士 |
授予学位单位: | 浙江大学 |
学位年度: | 2022 |