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原文传递基坑开挖对盾构隧道竖井的受力及变形的影响研究

论文题名：	基坑开挖对盾构隧道竖井的受力及变形的影响研究
关键词：	基坑开挖;盾构隧道竖井;控制变量法;三维有限元;卸荷效应
摘要：	随着我国城市综合管廊、轨道交通和地下空间的突飞猛进，竖井的数量越来越多。基坑开挖对邻近盾构隧道竖井受力和变形的影响研究目前尚未查到相关的文献报道。本文考虑了基坑底部和基坑侧壁的卸荷效应以及基坑围护支撑体系的阻隔作用，并对围护结构底面处土体受到的等效荷载的量纲进行统一修正，建立了基坑开挖卸荷作用下盾构隧道竖井产生附加应力的理论模型和计算公式，基于控制变量法对基坑开挖的长度A和宽度B、基坑开挖的深度^、基坑与竖井的最小间距M、浮重度γ以及应力损失率β等因素进行改变并绘制了敏感度分析曲线。结合荷载叠加法以及半解析半经验的方法对竖井隧道的自由端和连接口处的位移、弯矩以及剪力进行求解。最后利用三维有限元MIDASGTSNX软件对位于基坑旁侧和下方的盾构隧道竖井进行模拟并与理论值进行比较验证，主要研究内容如下: 　　(1)当基坑位于隧道竖井的旁侧或者下方时，竖井受到坑底卸荷作用较大，而受到侧壁的卸荷作用相对较小。在水平方向竖井均受到靠近基坑一侧的拉力，地表以下某处存在竖向应力由朝上变成朝下的转折点，说明在基坑卸荷的作用下，竖井管节结构存在受拉脱节的风险。　　(2)基坑卸荷作用下，竖井受力沿深度增加而增加，竖井底部受力最大。从水平附加应力上分析，随着基坑侧壁与竖井的间距M的增加竖井受到的水平附加应力将变小，应力方向指向基坑;同时随着基坑开挖深度h、浮重度γ''、基坑长度A、基坑宽度B、以及应力释放系数β的增加竖井所受的水平附加应力增大，应力方向也指向基坑。从竖向附加应力上分析，随着竖井与基坑侧壁的最小间距M的增加，竖井受到的竖向附加应力将减少，而随着基坑开挖深度h、浮重度γ''、基坑长度A、基坑宽度B以及应力释放系数β的增加，竖井受到的竖向附加应力将增大。　　(3)当隧道位于基坑旁侧时，基坑开挖卸荷对竖井结构的受力影响敏感度最大的是基坑与竖井的间距，其次是基坑开挖深度。而当隧道位于基坑正下方时，竖井受到的水平附加应力敏感度最大的是基坑开挖深度，其次是基坑开挖宽度，但是竖井受到的竖向附加应力敏感度最大的是间距，其次是基坑开挖深度。　　(4)由于水平附加荷载沿着高度呈现出梯形分布且竖井与水平盾构隧道组成的T型管状结构可等效为悬臂梁结构，可将梯形分布的荷载值分解为三角形分布图和矩形分布图，并建立其弯矩方程和剪力方程。利用弯矩方程，建立了挠曲线近似微分方程，最后对竖井和隧道自由端的水平位移进行了相应的求解。　　(5)由于竖向附加应力较小，导致竖井的竖向位移较小，可忽略不计，可大致认为隧道竖井连接处的竖向位移均来源于基坑开挖卸荷下对盾构隧道的竖向位移。本文基于Mindlin解和叠加原理计算得出基坑开挖卸荷下基坑坑底和基坑四个侧壁卸荷下所引起的隧道外表面（靠近基坑）的水平和竖向位移得到了竖井中心位置处（竖井与隧道连接口）的竖向位移最大，呈现出正态分布的特性。　　(6)当基坑位于隧道竖井上方时，竖井未在基坑的正中心，容易引起水平隧道的转动而产生竖井的水平位移，所以基坑位于水平隧道竖井上方时的水平位移大于基坑位于水平隧道竖井旁侧时的水平位移。
作者：	马靖昊
专业：	土木水利
导师：	魏新江
授予学位：	硕士
授予学位单位：	安徽理工大学
学位年度：	2022