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原文传递大断面管幕—箱涵推进工法中管幕力学作用与开挖面稳定性研究

论文题名：	大断面管幕—箱涵推进工法中管幕力学作用与开挖面稳定性研究
关键词：	城市浅埋隧道工程;管幕箱涵推进工法;弹性地基梁;开挖面稳定性;网格内土压力;土拱卸载
摘要：	随着城市交通的快速发展，大断面浅埋式下立交通道已日益增多，对于穿越繁忙的城市道路，避免开挖及地表环境的影响破坏，采用大断面管幕一箱涵推进工法进行有着独特的优点。与日本等常用的管幕法相比，该工法的特点是不加固管幕内软土，从而能显著降低工程成本，节省工期。本文以上海市中环线北虹路隧道工程为依托，采用理论分析、数值模拟、结合室内试验及现场实测等手段对该工法中钢管幕的力学作用、箱涵推进中的稳定性两大关键技术进行了较为深入的研究。管幕的力学作用研究方面：上排管幕的卸载及超载作用、底排管幕的导向作用。以弹性地基梁理论为基础，建立了上排钢管幕在超挖和欠挖两种工况下的力学计算模型，推导出钢管幕的挠度曲线及相应的控制方程。并对钢管直径、土体基床系数、变形量等对管幕的卸载比及超载比、变形范围的影响进行分析。当钢管幕产生沉降时，部分上覆土荷载通过管幕传递至主动区两侧，起到卸载作用，卸载能力随管幕的沉降量、钢管直径、基床系数的增加而基本成线性增大，而沉降范围随沉降量增大而增大，随钢管直径增大而基本成线性增加，随基床系数增大而减小。当管幕产生隆起时，部分上覆土荷载通过管幕转移至网格前端的区域，起到超载作用，钢管幕超载比及隆起范围随管幕的隆起量、钢管刚度、土体基床系数增加而增加，其中基床系数的影响程度很小。分别采用粘土和砂土进行室内模型试验验证理论分析的可行性，箱涵在粘土中欠挖推进时，切口前端管幕隆起，计算值与试验值变形规律一致。对于砂土中超挖推进而言，切口前端一定范围内土体沉降，试验值与计算值吻合较好。北虹路隧道第四节箱涵欠挖推进以及第五节箱涵超挖推进中的管幕变形实测结果与理论计算较为符合，尤其对于超挖推进而言，准确性较高。研究了底排管幕在箱涵推进过程中的导向作用。采用弹性地基梁模拟底排管幕，建立了箱涵姿态分析模型，推导出相应的计算公式，并解释了北虹路隧道施工中欠挖推进上抬而适当挖土即下倾的现象，并能近似计算出姿态变化值，以北虹路工程为例进行了姿态计算并和实测结果进行对比，结果表明该分析方法基本上能发映工程实际情况。稳定性研究方面：箱涵进出洞稳定性、网格内土压力及稳定长度计算、网格前端土拱卸载效应。建立有管幕作用下出洞稳定性计算方法。把洞口段加固体作为研究对象，考虑管幕的卸载及地下墙拆除后的重力荷载重分配作用，分别计算加固体所受的土压力和竖向压力，然后验算加固体的整体抗滑稳定性和强度条件。建立了进洞稳定性极限分析方法：采用极限分析理论求解主动土压力的上限解，建立了主动土压力、土体范围以及破裂角之间的公式。研究结果表明随着箱涵日益接近接收井的地下墙，土压力减小，开挖面的稳定性得到提高。在管幕内软土不加固的前提下，研究了开口网格内土压力分布规律。根据平衡条件，推导出网格工具头内土压力、土一钢板接触面正应力、剪应力随工具头长度的指数分布规律。通过室内试验验证了理论分析的正确性。根据网格内壁压力分布规律可推导出稳定性网格长度的计算公式，试验得到的稳定长度与理论计算长度基本相符。通过有限元模拟揭示了网格前端土拱卸载效应并详细分析了土拱卸载比的影响因素。网格封门打开后，土压力向网格梁转移，使得网格内土体所受到的土压力显著减小，提高了开挖面的稳定性，减小了网格的入土长度。土拱卸载能力与网格间距、网格梁厚度、网格切口角度等有关。土拱的发挥程度与网格长度、网格间距以及上覆土荷载等密切相关。本文的研究成果在北虹路隧道中得到了应用。最后，作者就本文对需进一步研究的课题提出了建议。
作者：	李向阳
专业：	岩土工程(地下结构研究)
导师：	朱合华;葛金科
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文