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原文传递软土地区明挖隧道施工全过程对下卧地铁盾构隧道影响及变形控制研究

论文题名：	软土地区明挖隧道施工全过程对下卧地铁盾构隧道影响及变形控制研究
关键词：	软土地区;明挖隧道;施工全过程;地铁盾构隧道;变形控制
摘要：	新建隧道近距离穿越既有下卧地铁盾构隧道的工程中，通常先采用保护结构和地基加固等措施对既有隧道结构进行保护，而保护结构施工、地基加固及新建隧道开挖不可避免地引起既有盾构隧道变形，对既有隧道安全运营造成威胁，尤其是在软土地层和敏感的周边环境条件下。本文依托苏州星港街新建明挖隧道近距离上穿地铁1号线盾构隧道工程，开展现场试验及施工全过程监测，结合数值模拟及理论分析，系统研究了软土地层中明挖隧道施工全过程对下卧地铁盾构隧道的影响及变形控制方法。具体包括明挖隧道各阶段施工对既有盾构隧道影响规律、主要施工参数对既有盾构隧道变形的影响、既有盾构隧道变形的理论计算方法及变形控制方法等。主要研究成果如下：　　（1）基于监测数据，揭示了软土地层新建明挖隧道施工全过程下卧地铁盾构隧道的变形规律。监测结果显示，水泥搅拌桩墙（SMW）施工引起隧道沉降最大（3.6mm），深层水泥搅拌桩（DSM）地基加固引起隧道水平位移最大（4.7mm），分区开挖引起隧道隆起最大（3.5mm），钻孔灌注桩施工对隧道影响很小。隧道总位移最大值发生在DSM阶段，拱墙最大水平位移为7.6mm，超出了预警值（7.0mm）；拱顶及道床的最大沉降分别为6.4mm和2.8mm。SMW施工阶段，隧道变形主要由隧道两侧的SMW施工引起，拱顶和道床沉降、两拱墙向隧道外移动；DSM地基加固阶段，隧道的变形主要由隧道两侧及两隧道中间的DSM施工引起，隧道主要发生沉降及向远离DSM施工区的方向移动；分区开挖阶段，隧道隆起主要由其正上方的小基坑开挖引起。　　（2）建立了考虑盾构隧道管片错缝拼装及螺栓连接作用的精细化数值模型，实现了对盾构隧道受力变形的精细化分析。研究表明，当隧道总变形在DSM阶段达到最大时，横断面竖向压缩、横向拉伸引起的盾构隧道管片最大压应力（拱底）和拉应力（拱顶）分别为8.9MPa和0.6MPa，最大剪应力（拱底）为7.3MPa；纵向螺栓最大拉应力（拱墙）为36.3MPa，环向螺栓最大拉应力（拱顶）为193.4MPa；纵向和环向接缝最大张开量（拱墙）分别为0.7mm和0.24mm。　　（3）利用精细化数值分析，探讨了SMW施工深度及其与盾构隧道的距离、DSM施工深度及施工顺序、分区开挖顺序及分区数对下卧盾构隧道的变形影响规律。研究发现，盾构隧道的位移随SMW和DSM的施工深度减小而减小，当SMW或DSM的施工深度小于隧道轴线埋深时，隧道位移小于0.5mm；当SMW与隧道拱墙外壁的距离从1m增加至2.5m时，SMW施工引起的拱顶沉降和拱墙水平位移分别减小20.1％和43%。DSM施工顺序为先隧道上方再隧道两侧，隧道两侧的DSM施工方向由远处向隧道靠近，均能减小隧道的变形。隧道变形随基坑分区数量的增大而减小，先开挖隧道两侧再开挖隧道上方的开挖顺序对隧道变形控制效果最好。　　（4）基于现场试验数据及Timoshenko弹性地基梁理论，提出了SMW施工引起的盾构隧道位移预测方法，预测结果与现场监测接近。此外，考虑盾构隧道管片接缝的影响，综合土压力理论、结构力学法，推导了SMW施工引起的盾构隧道横断面衬砌环变形的理论计算方法，理论计算的拱墙最大水平位移比监测数据大0.8mm，相对误差为32%。　　（5）基于Mindlin解、Odemark等效地层法和等效弹性参数，提出了加固地基分区开挖引起土体附加应力及位移的理论解析方法；应用Pasternak地基模型和Timoshenko弹性地基梁理论，推导了在土体附加位移和应力作用下盾构隧道的位移平衡微分方程。经工程实例验证表明，基于等效地层法和Mindlin解计算分区开挖引起的土体附加应力，再利用Pasternak地基中的Timoshenko梁理论计算盾构隧道位移，能反映隔离结构、地基加固以及分区开挖对盾构隧道位移的控制作用。　　（6）探讨了不同围护加固方式对下卧既有盾构隧道变形的控制效果。在软土地区，SMW围护隔离墙+地基加固+钻孔灌注桩、桩板围护加固方式均能很好地控制开挖引起的下卧盾构隧道变形。当有钻孔灌注桩存在时，加固地基的弹性模量应该是原土体的20~30倍，加固深度应该在盾构隧道拱底以下1m至1倍隧道洞径之间。提出了地基分层加固-钻孔灌注桩框架保护结构，适用于软土区基坑开挖工程中对下卧既有盾构隧道变形的严格控制。
作者：	潘皇宋
专业：	土木工程;岩土工程
导师：	童立元
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022