黄土区隧道施工对既有隧道的影响及稳定性分析平台研发之建筑学分析

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2019-10-03 论文字数:44232字
论文编号: sb2019091010383327725 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,本文研究了在不同围岩力学参数、间距、角度和洞径等因素作用下新建隧道盾构施工对既有隧道位移的影响规律,并研发了围岩稳定性自动化分析平台。
本文是一篇建筑论文,本文以均质黄土地层为研究背景,分析研究盾构黄土地铁隧道对既有隧道的影响规律,运用 Matlab GUI 的人机交互界面建立多组合地下空间稳定性自动化分析平台,对地下工程设计和施工起到一定的指导作用,推动城市地下建设工程数字化模型的建立,地下各类设施建设技术更加现代化、信息化,减少地下工程建设时间和降低地下工程建设安全事故发生,用于城市防灾及工程项目管理等。

1  绪论

1.1  选题意义
随着我国“一带一路”建设与社会主义现代化建设步伐的迈进,有限的土地资源已越来越紧张,城市规划者的眼光从地上转到了地下,大型地下设施综合体成为各大城市发展的目标和方向[1]。安全、方便、快速的城市地铁缓解了地面交通拥堵;地下商场、共同沟、地下综合管廊的修建使得城市街道更加整洁干净,在改善城市市容方面发挥了重要作用[2]。开发修建的各类地下构筑物几乎涉及到了城市功能的各个方面,未来更多大空间、大规模地下结构的应用也越来越多,众多功能不同的地下设施构筑在一起,为城市基础设施的发展提供更大空间[3][4]。
城市地铁的修建与运营是当前各大城市建设的一种潮流,解决地面交通拥堵的重要措施。我国第一条地铁在 1965 年在北京开始动工搭建,截止 2018 年 10 月,中国已开通的城市地铁有 36 个,总运营线路有 176 条,总里程为 5375.2 千米,总站数为 3435 站,在建地铁线路有 209 条,总里程已达到了 3000 多公里[5]。在山城重庆地铁 10 号线的埋深堪称全国之最,红土车站埋深为 90 米,车站内自动扶梯高度接近 30 层楼房的高度;广东地铁二号线越秀公园车站,隧道间距仅为 2.7 米;成昆铁路段关村坝隧道间距为 1.27~4.1 米。如此多条线路,加之新增城市地铁线路的密集修建,不同运营线路间距过小,同面平行[6],穿越交叉,相对处于不同斜面等状态也是有的[7][8],这些情况的出现给地下施工带来了极大的挑战[9]。
近接隧道施工引起的地表沉降、地表建筑物及邻近既有结构破坏等问题引起我国土木工程领域的广泛关注,地层位移会进一步引起一系列环境问题[10]。黄土特殊的土质结构,受扰动作用后十分敏感,在建工程特别是轨道交通工程毗邻或穿越地铁既有线路[11],地质条件复杂,地下管网纵横交错,围岩与既有地下构筑物受到扰动,容易发生道路塌陷变形、管线断裂、地铁轨道线路弯曲变形、仪器失灵等问题,尤其是运营中的地铁聚集了大量的客流,一旦轨道发生较大变形,后果不堪设想[12]~[15]。因此,对盾构隧道施工对既有隧道管线的影响进行深入、系统的研究有助于指导地下工程设计和施工,将既有隧道的变形规律[22]进行归纳总结,研发一款适用于地下既有隧道稳定性自动化分析平台[17]~[19],为施工现场技术人员快速准确地掌握洞室围岩及支护稳定问题提供技术指导,解决近接隧道的施工问题,为信息化施工的发展和应用提供技术支持。
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1.2  国内外研究进展
1.2.1  地下结构相互影响研究 开挖隧道打破了围岩稳定性,围岩内部形成的临空面所引起的地层损失和应力扰动作用于周围已有地下构筑物,若变形过大,将会影响既有构筑物的稳定性,造成不良影响[20][21]。日益密集的地铁、综合管廊线路以及各类新建设施必将相互影响制约彼此,如何降低施工扰动造成的既有构筑物变形,这将会是未来地下空间施工急需解决的一大难题[22][23]。目前国内外的许多学者已经对这方面进行了广泛深入的研究,主要的研究方法有理论分析、数值模拟、解析法等等,其中数值模拟的方法应用最为广泛。
杨舜[24]将西安地铁二号线和综合管廊组合修建,运用 Abaqus 大型有限元软件,分别对盾构隧道对既有综合管廊的影响和修建综合管廊对既有地铁隧道的影响进行数值模拟计算,结果指出,双线隧道同时同方向的修建方法能够在最大程度上保护既有管廊的稳定性;既有隧道的变形受综合管廊的覆跨比和净距比影响最大。
李宁,顾强康,朱才辉,苏立海等人[25]以西安地铁 2 号线南门城墙段为工程研究背景,应用岩土工程数值仿真分析软件 FINAL 建立有限元模型,数值模拟计算地铁盾构施工对南门城墙及地面的影响,结果表明盾构施工造成的地面塌陷值不能超过 20mm,在工程施工段一定距离对古建筑物城墙实施钢支撑加固,并实时监测,防止城墙产生不均匀沉降。
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2  新增隧道对既有隧道影响的数值试验方案设计

2.1  隧道空间关系
通常情况下,通过两隧道间距、圆心夹角、埋深、洞径等因素就可以确定两隧道空间位置关系,其二维示意图如图 2-1 所示。 

(1)隧道洞径选取
目前国内地铁普遍应用的是 6m 左右的隧道跨度,盾构机的直径普遍为 6.3 米左右,也有 8m 甚至更大的,本文结合西安地铁线路及普遍使用的盾构机直径,将既有隧道洞径D1 取为 6m,新建隧道的洞径 D2取为 6m、8m、10m。
(2)角度选取
目前国内众多城市都在紧锣密鼓的修建城市地铁,来缓解地面交通在上下班高峰期的拥堵情况,如此多条线路的修建,出现不同运营线路间距过小,同面平行,穿越交叉,相对处于不同斜面等状态也是有的。因此,本文以顺时针方向旋转,两隧道的夹角分别为 0°、-45°、-90°。
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2.2  本构模型选取及模型建立
FLAC 3D 2.1 版本[56]提供了 11 种模拟材料的本构模型,分为空、弹性和塑性三个组,每个模型都分别代表了某些特定种类岩土体的本构行为,其中空模型主要用于开挖阶段,表示被移除或开挖掉的围岩;弹性模型组中的各向同性弹性模型可以模拟强度极限内的人造材料,如梁、板桩、衬砌单元等;塑性模型组中的摩尔-库仑模型适用于边坡稳定或地下开挖中的普通土壤和岩石的力学行为,经常被各类岩土工程所应用,而且在建工程围岩材料的摩尔-库仑参数中的粘聚力、内摩擦角、变形模量、泊松比等参数比其他模型参数更容易得到,故本文采用摩尔-库仑本构模型。
本文以三种物理力学参数不同的围岩类型,两隧道间距 L(5m、10m、15m、20m),两隧道圆心夹角α(0°、-45°、-90°),新建隧道洞径 D2(6m、8m、10m)为模拟变量,将以上变量进行组合,整个数值计算共 108 种工况,隧道开挖断面为圆形,既有隧道埋深 18m,洞径为一固定值 D1=6m。
查阅众多文献和研究[57][58]可知,地下隧道开挖后产生的影响在隧道周围 3~5 倍开挖宽度或高度范围内,因此选取分析模型的边界为既有隧道洞径(D1=6m)的 3~5 倍,模型左右两侧水平约束,底部固定约束,上边界取自地面为自由面。衬砌管片采用各向同性弹性模型,钢筋混凝土管片采用 C50 混凝土,根据混凝土的弹性模量和泊松比计算单元刚度,考虑到安装时的拼接缝,对管片刚度进行了强度折减,在计算中采用 Shell 单元模拟衬砌管片的支护作用。隧道内部土体按照一环管片的宽度 1.5m 进行掘进,模型宽度 30m,总共掘进 20 环。 
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3  新增隧道对既有隧道影响特征分析 .................................... 15
3.1  黄土三计算结果分析 ..................................... 15
3.1.1 0°水平方向位移分析 ............................. 15
3.1.2 -45°侧下方位移分析 ......................... 19
4  新增隧道对既有隧道影响的智能分析 .......................................... 47
4.1  人工神经网络概述 .............................. 47
4.2 BP  神经网络 .................................... 47
5  多组合地下空间稳定性自动化分析平台研发 .................................. 59
5.1  单洞稳定性评价方法与标准 ................................. 59
5.2 系统假设条件 ................................. 60

5  多组合地下空间稳定性自动化分析平台研发

5.1  单洞稳定性评价方法与标准
地下空间工程的自身稳定性评价主要是对地下建筑物变形、支护结构受力情况及围岩损失等的综合评判,到目前为止工程人员主要依据隧道支护结构的稳定性理论,其中监测隧道洞周收敛变形是判断围岩是否失稳最简单、方便的方法。
一般认为洞室周围最大允许位移与围岩的强度(刚度)、洞室的跨度、埋深、断面形状、围岩中节理或断层的密度、方位、力学性态等因素有关。由于影响因素众多且繁杂,目前对洞室稳定性的评价尚无统一的理论方法,许多的学者对围岩稳定性的评判标准做了许多深入的研究,主要包括经验法、规范法以及公式法等,这三种方法分别从不同角度对单个隧道变形及围岩稳定性做了全面深入的研究,下面对这三种评价方法做了一些详细的介绍。
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6  结论与展望

6.1 主要研究成果及结论
随着地下空间的开发与利用,地下近接施工成为岩土工程中新的研究对象。本文研究了在不同围岩力学参数、间距、角度和洞径等因素作用下新建隧道盾构施工对既有隧道位移的影响规律,并研发了围岩稳定性自动化分析平台。整体来看,本论文研究内容可以概括为以下三部分:
(1)本文选取洞室跨度、埋深、两隧道间距、角度以及不同的围岩强度作为影响因素,
运用 FLAC 3D 数值模拟了圆形隧道盾构施工对既有地铁隧道的影响规律,结果表明:
①既有隧道受围岩强度影响显著,围岩越差,水平与竖向变形越大,位移变化越迅速;
②两隧道间距越远,既有隧道受影响程度越小;既有隧道受间距的影响程度为 L(5m)>L(10m)>L(15m)>L(20m);
③两隧道间距相同工况下,施工隧道洞径越大,既有隧道变形越大,既有隧道受新建隧道洞径的影响程度为 D2(10 m)> D2(8m)> D2(6 m)。
④随着新建隧道埋深的不断增加,既有隧道与地表位移随之增大,故既有隧道受角度的影响程度为-90°正下方>-45°侧下方>0°水平方向;建议当新建隧道处于既有隧道 0°水平方位时,两者间距大于 0.5D 有利稳定,处于既有隧道-45°侧下方时,两者间距大于1.0D 有利稳定,处于既有隧道-90°正下方时,是比较危险的工况,两者间距大于 1.5D有利稳定.当埋深和洞径增大,围岩强度低时,以上安全距离应增大 1.0D 左右,并要注意及时监测洞周位移,否则容易发生支护不当引起的坍塌。
(2)应用遗传算法优化 BP 神经网络的方法,建立了在任意变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、两隧道间距、角度条件下既有隧道位移、弯矩及应力等的预测模型。采用数值仿真试验得到的结果作为训练样本,共设计了 162 组数值模拟方案和 10 组检测样本,选取新建隧道的半径、两隧道间距、夹角、围岩变形模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比、容重 8 个因素作为神经网络的输入参数,从网络结构、神经元数量、训练与传递函数等几方面进行了多次对比分析,经过计算训练得到网络结构为 8-10-1 的 GA-BP 神经网络预测模型。经过测验,该网络总体上来说性能良好,收敛速度较快,保证误差在 5%之内。
参考文献(略)


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