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原文传递层状地基中隧道开挖对临近既有管道影响分析

论文题名：	层状地基中隧道开挖对临近既有管道影响分析
关键词：	盾构隧道;应力释放;既有管道;纵向变形性状;弹性层状半空间地基模型;位移控制边界单元法
摘要：	近年来，我国城市化水平的迅速提高带动了城市地下轨道交通系统的快速发展。盾构法隧道施工由于可以较小程度地对地面交通产生影响而越来越广泛的被应用于地下铁道的建设中，该工法已经成为我国城市地下轨道交通系统中的一种重要施工方法。然而，在隧道的修建过程中，由于盾构开挖面土体的应力释放以及开挖引起的土体损失，不可避免地会对周围土体产生挠动，当这种挠动超过一定限度时，会危及临近既有管道的安全和正常使用。过大的纵向不均匀沉降甚至会造成既有地铁轨道纵向扭曲变形进而危及地铁列车的正常运营；还应注意到，隧道施工场地往往处于市政管线的密集区，如果施工不当会造成地下管线严重变形，引起较大应力而破坏。因此，针对盾构隧道开挖引起的周围土体变形以及在隧道开挖条件下对临近既有管道的纵向变形性状进行研究具有很重要的工程实际意义。　　本文考虑地基土体非均质性的影响，应用弹性层状半空间地基模型，建立了层状地基中盾构隧道施工引起周围土体变形以及临近既有管道纵向变形的位移控制分析方法，改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。本文的研究成果可为合理评估盾构隧道施工对周围环境的影响以及合理制定临近既有管道的保护措施提供一定的理论依据。　　本文研究内容主要包括以下几个方面：　　 (1)提出了直角坐标系中任意荷载作用下弹性层状半空间地基模型的基本解。首先在直角坐标系下采用双重Fourier积分变换得到单层地基应力和位移的初始函数，然后在此基础上运用矩阵递推技术，给出了任意荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式，即弹性层状半空间地基模型的基本解。　　 (2)提出了基于弹性层状半空间地基模型的盾构隧道开挖引起层状土体变形的位移控制边界单元法(DCBEM)。在本方法中，针对盾构隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移移动模式，建立了层状地基中洞周边值问题的边界积分求解方程，并采用高阶等参单元代替低阶常分布单元得到了边界离散方程，同时以弹性层状半空间地基模型的基本解代替常规均匀介质体的Kelvin基本解或Mindlin基本解，最终求得隧道洞周给定位移条件下的土体自由位移场。　　 (3)提出了层状地基中盾构隧道开挖对临近既有管道影响的两阶段简化分析方法。在本方法中，采用弹性层状半空间地基模型将既有管线视为Euler-Bernoulli梁，地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算，并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程，从而可以求得既有管道的纵向位移和内力。　　 (4)提出了层状地基中盾构隧道开挖对临近既有管道影响的DCBEM-FEM耦合分析方法。在本方法中，针对盾构隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移移动模式，将弹性层状半空间地基模型基本解与直接边界单元法相耦合，建立了层状地基中洞周边值问题的边界单元求解方程，同时针对既有管道建立有限单元求解方程，最终利用耦合边界条件(位移协调条件和应力连续条件等)建立DCBEM-FEM联立求解方程，求得管道纵向位移和内力。
作者：	张治国
专业：	岩土工程
导师：	黄茂松;王卫东
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学土木工程学院
学位年度：	2009
正文语种：	中文