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新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化

作　者: 廖俊海
导　师: 王健；张怀静
学　校: 北京建筑工程学院
专　业: 岩土工程
关键词: 地铁工程 近接施工 施工优化 沉降分类 细化控制
分类号: U231.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着我国城市化进程的加快,为解决城市公共交通问题,地铁工程蓬勃发展。在繁华城市修建地铁隧道工程,施工不可避免要近接或穿越地上或地下建(构)筑物,与此同时也涌现出大量的岩土工程和施工技术问题需要解决。施工引起的地表沉降可能危及地上和地下建筑等的安全,造成严重的经济损失甚至人员伤亡,引起不良的社会影响。因此在施工过程中,如何防止塌方,如何可靠地预计并有效地控制施工所引起的地表沉降,从而保护工程沿线地上建筑和地下建筑的安全,已成为城市地铁工程建设中必须解决的一个重要现实课题。从我国目前的工程实践和学术研究来看,在地下工程开挖对近接建(构)筑物的损害及防治对策方面,目前尚没有一个完整的地铁开挖引发的建筑损害评价标准,相关的学术性研究也较少。一般的做法是给定一个沉降值极限,认为不超过该极限即可。例如,在北京和深圳等城市,一般规定地下工程开挖造成的地表沉降上限值为30mm,地表隆起值控制在10mm内。但是这个值是根据经验制订出来的,没有系统的理论研究根据。即便是在30mm的范围内,不同的结构就有不同的力学响应,损害程度也是不一样的,对有的隧道工程可能过于保守,对有的隧道工程却是不安全的。因此根据这个标准来对建(构)筑物采取的加固措施不一定就是适当的,在技术经济上可能是不合理的。本论文正是基于导师的“地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题,结合北京站至北京西站地下直径线大断面、高水位和软弱围岩隧道工程的实际施工情况,对该问题进行了较为深入的研究和探讨,从地面沉降、洞顶和洞底沉降、洞侧水平变形、邻近既有建筑物沉降、既有线沉降、地下管线沉降六个方面对地表沉降变形等进行分类细化研究,更针对性地提出沉降控制值,为以后此类工程提供工程类比经验,使此类施工控制更加适用、安全、经济。首先根据直径线工程实际采用的双侧壁导坑法,建立与其施工步序相应的数值模拟模型,然后用试验段现场监测数据得出的地面沉降曲线、洞顶沉降变形收敛曲线、洞侧水平变形收敛曲线和既有建筑物沉降曲线验证数值模型,通过调整数值模型岩土和结构网格单元参数耦合上述现场监测数据曲线,模拟出工程现场围岩的近似二维和真三维初始状态,在此基础上平面模拟双侧壁导坑法、洞桩法、CRD法、CD法、单侧壁导坑法和台阶法35种结构断面形式126种施工步序,分析其变形趋势初步得出施工优化的双侧壁导坑法、洞桩法、CRD法对沉降控制有利,由此三维模拟这三种典型工法对沉降变形细化分类控制作进一步研究,最后综合上述分析得出施工优化方案为洞桩法,并相应提出各种细化分类控制指标。“地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题需要大量工程类比案例支持。随着我国地铁隧道工程大规模建设,地下近接工程的案例将会越来越多且越来越复杂,其研究可谓方兴未艾,希望能够抛砖引玉深入此类问题的研究,本着继承与发展的原则将我国地下空间资源的利用和地下工程的发展引入可持续发展的道路。

全文目录


摘要  9-10
Abstract  10-12
第一章 绪论  12-32
  1.1 课题背景及意义  12
    1.1.1 选题背景  12
    1.1.2 研究意义  12
  1.2 地铁工程的施工工法  12-18
    1.2.1 地铁施工的主要工法  13-16
      1.2.1.1 地铁区间隧道施工的主要工法  13-14
      1.2.1.2 地铁车站施工的主要工法  14-16
    1.2.2 地铁施工的辅助工法  16-18
      1.2.2.1 压气工法  16
      1.2.2.2 降水工法  16-17
      1.2.2.3 冻结工法  17
      1.2.2.4 注浆工法  17-18
  1.3 沉降变形规律的研究现状  18-29
    1.3.1 理论计算法  18-25
      1.3.1.1 经验公式法  18-22
      1.3.1.2 解析法  22-23
      1.3.1.3 数值解法  23-24
      1.3.1.4 模型试验研究法  24
      1.3.1.5 专家系统和灰色理论法  24-25
    1.3.2 实测数据分析法  25-26
      1.3.2.1 统计分析法  25
      1.3.2.2 时间序列分析法  25-26
      1.3.2.3 神经网络智能分析法  26
    1.3.3 隧道开挖对既有建筑的沉降损害研究  26-28
      1.3.3.1 基于历史案例的经验观测与统计方法  26
      1.3.3.2 基于结构力学原理的定量计算方法  26-27
      1.3.3.3 基于沉降预测的计算方法  27-28
      1.3.3.4 基于数值模拟的计算方法  28
    1.3.4 沉降变形规律研究存在的问题  28-29
  1.4 本文研究的主要目的及内容  29-30
    1.4.1 本文研究的主要目的  29
    1.4.2 本文研究的主要内容  29-30
      1.4.2.1 地面的沉降变形  29
      1.4.2.2 洞顶和洞底的沉降收敛变形  29-30
      1.4.2.3 洞侧的水平收敛变形  30
      1.4.2.4 既有建筑物的沉降变形  30
      1.4.2.5 地下管线的沉降变形  30
      1.4.2.6 既有线的沉降变形  30
      1.4.2.7 综合分析出的最优施工工法  30
  1.5 本文采用的研究方法和手段  30-31
    1.5.1 理论探讨  30-31
    1.5.2 参数确定  31
    1.5.3 现场量测  31
    1.5.4 资料分析  31
  1.6 本文的创新之处  31-32
第二章 地铁近接施工的研究现状  32-44
  2.1 近接施工的分类  32-36
    2.1.1 隧道近接方式  32-35
    2.1.2 车站近接方式  35-36
  2.2 近接施工的二次应力状态和分区  36-39
    2.2.1 单一洞室情况  36-37
    2.2.2 双洞室情况  37-39
  2.3 近接施工相互影响的分析研究  39-40
    2.3.1 相互影响分析的基本条件  39
    2.3.2 近接施工的相互影响和变形  39-40
  2.4 近接工程的施工要求  40
  2.5 近接施工处理的流程和对策  40-43
    2.5.1 近接施工处理的流程  40-41
    2.5.2 近接施工处理的对策  41-43
      2.5.2.1 既有隧道侧的对策  41-42
      2.5.2.2 新建隧道侧的对策  42
      2.5.2.3 中间地层的对策  42
      2.5.2.4 近接施工的具体对策  42-43
  2.6 本章小结  43-44
第三章 北京直径线地下工程背景  44-50
  3.1 工程背景简介  44-45
    3.1.1 工程概况  44-45
    3.1.2 工程特殊问题  45
  3.2 工程地质和水文地质情况  45-47
    3.2.1 工程地质情况  45-47
    3.2.2 水文地质情况  47
  3.3 工程难点  47-49
  3.4 砂卵石地层的特性  49
  3.5 工程中的新问题  49
  3.6 本章小结  49-50
第四章 有限元数值模拟基本理论与建模  50-59
  4.1 有限元法的基本原理  50-53
    4.1.1 变分法  50-51
      4.1.1.1 虚位移原理  50
      4.1.1.2 最小势能原理  50-51
      4.1.1.3 最小余能原理  51
    4.1.2 加权余量法  51-52
      4.1.2.1 加权余量法的基本原理  51
      4.1.2.2 加权余量法的几种形式  51-52
    4.1.3 瑞利—理兹法  52-53
  4.2 有限单元法的基本过程  53
  4.3 收敛准则  53
  4.4 MIDAS/GTS 有限元程序简介  53-54
  4.5 工法数值模拟的实现  54-58
    4.5.1 数值模拟区段选取  54-55
    4.5.2 地层处理和参数初选  55
    4.5.3 计算范围问题  55
    4.5.4 初始应力问题  55-56
    4.5.5 数值模拟处理  56-58
      4.5.5.1 桩的处理  56
      4.5.5.2 既有线出口的处理  56
      4.5.5.3 超前注浆的处理  56
      4.5.5.4 模型网格划分的处理  56-57
      4.5.5.5 施工阶段的处理  57
      4.5.5.6 导洞开挖的处理  57
      4.5.5.7 模筑二衬施作的处理  57
      4.5.5.8 参数确定的处理  57
      4.5.5.9 初支施作的处理  57-58
      4.5.5.10 荷载释放系数选择的处理  58
  4.6 本章小结  58-59
第五章 不同工法二维动态施工模拟的变形分析  59-102
  5.1 引言  59
  5.2 地面的沉降变形分析  59-73
    5.2.1 双侧壁导坑法施工模拟结果与监测数据的还原分析  59-63
    5.2.2 洞桩法施工模拟结果分析  63-64
    5.2.3 CRD 法施工模拟结果分析  64-65
    5.2.4 CD 法施工模拟结果分析  65-68
    5.2.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  68-70
    5.2.6 台阶法施工模拟结果分析  70-73
  5.3 洞顶和洞底的沉降收敛变形分析  73-78
    5.3.1 双侧壁导坑法施工模拟结果与监测数据的还原分析  73-75
    5.3.2 洞桩法施工模拟结果分析  75
    5.3.3 CRD 法施工模拟结果分析  75-76
    5.3.4 CD 法施工模拟结果分析  76
    5.3.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  76-77
    5.3.6 台阶法施工模拟结果分析  77-78
  5.4 洞侧的水平收敛变形分析  78-83
    5.4.1 双侧壁导坑法施工模拟结果与监测数据的还原分析  78-80
    5.4.2 洞桩法施工模拟结果分析  80-81
    5.4.3 CRD 法施工模拟结果分析  81
    5.4.4 CD 法施工模拟结果分析  81-82
    5.4.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  82
    5.4.6 台阶法施工模拟结果分析  82-83
  5.5 既有建筑物的沉降变形分析  83-87
    5.5.1 双侧壁导坑法施工模拟结果与监测数据的还原分析  83-85
    5.5.2 洞桩法施工模拟结果分析  85
    5.5.3 CRD 法施工模拟结果分析  85
    5.5.4 CD 法施工模拟结果分析  85-86
    5.5.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  86
    5.5.6 台阶法施工模拟结果分析  86-87
  5.6 既有线的沉降变形分析  87-89
    5.6.1 双侧壁导坑法施工模拟结果分析  87
    5.6.2 洞桩法施工模拟结果分析  87-88
    5.6.3 CRD 法施工模拟结果分析  88
    5.6.4 CD 法施工模拟结果分析  88-89
    5.6.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  89
    5.6.6 台阶法施工模拟结果分析  89
  5.7 地下管线的沉降变形分析  89-98
    5.7.1 双侧壁导坑法施工模拟结果分析  90-92
    5.7.2 洞桩法施工模拟结果分析  92-93
    5.7.3 CRD 法施工模拟结果分析  93-94
    5.7.4 CD 法施工模拟结果分析  94-95
    5.7.5 单侧壁导坑法施工模拟结果分析  95-96
    5.7.6 台阶法施工模拟结果分析  96-98
  5.8 本章小结  98-102
第六章 典型工法三维动态施工模拟的变形分析  102-108
  6.1 引言  102
  6.2 地面的沉降变形分析  102-103
  6.3 洞顶和洞底的沉降收敛变形分析  103
  6.4 洞侧的水平收敛变形分析  103-104
  6.5 既有建筑物的沉降变形分析  104-105
  6.6 既有线的沉降变形分析  105
  6.7 地下管线的沉降变形分析  105-107
  6.8 本章小结  107-108
第七章 结论与展望  108-111
  7.1 结论  108-110
    7.1.1 地面的沉降变形  108
    7.1.2 洞顶和洞底的沉降收敛变形  108
    7.1.3 洞侧的水平收敛变形  108
    7.1.4 既有建筑物的沉降变形  108-109
    7.1.5 既有线的沉降变形  109
    7.1.6 地下管线的沉降变形  109
    7.1.7 综合分析出的最优施工工法  109-110
    7.1.8 Midas-GTS 有限元软件的应用  110
  7.2 展望  110-111
附录  111-116
  附-1 提取分类数据处理程序  111
  附-2 地面沉降处理程序-3 系列  111-113
  附-3 地面沉降处理程序-4 系列  113
  附-4 地面沉降处理程序-6 系列  113
  附-5 数据处理出图程序-3 系列  113-115
  附-6 数据处理出图程序-4 系列  115
  附-7 数据处理出图程序-6 系列  115-116
参考文献  116-118
攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目  118-119
致谢  119

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 特种铁路 > 地下铁路 > 地铁施工、改建与扩建
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