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山地城市是指分布在山地、丘陵区域的城市,地表不平、地形复杂多变,与平原城市存在迥然不同的城市形态和地质环境,国内作为省会的山地城市较多,有重庆、贵阳、乌鲁木齐、南宁等,尤以重庆最为具有代表性。 随着重庆轨道交通建设的快速推进,单洞大跨、浅埋车站隧道不断涌现。由于发展历程不长,许多研究未来得及进行,相关隧道规范也不完善,大跨浅埋隧道有待于进一步进行综合研究。本文依托重庆市科技重点攻关项目(编号:cstc2009AB6194),采用理论研究、模型试验、数值计算等方法,对重庆大跨、浅埋地铁车站隧道的地层变形、结构受力特性以及隧道深浅埋界限等方面进行研究。研究主要内容如下: ①基于弹性——黏弹性解对应原理,根据平面弹性复变函数方法,通过Laplace积分变换法,导出了考虑流变效应浅埋隧道位移、应力解析解。该方法适用于任意黏弹性模型岩土体中浅埋隧道开挖的地层变形计算。 ②根据上一步得到的地层变形,基于Winkler假设,采用局部弹性模型对支护压力进行求解,并用于支护内力计算。通过具体算例,针对广义Kelvin黏弹性模型地层,分析了浅埋隧道开挖引起的地表沉降槽随时间的演变规律,地层竖向沉降随时间的变化特征,隧道跨度、埋深对地表沉降的影响,以及支护内力随时间的变化规律和隧道跨度、埋深对支护内力的影响规律。 ③根据流变条件下浅埋隧道的位移解答,提出基于位移场的地铁车站隧道深浅埋划分方法。分析了浅埋隧道围岩位移场的非单调特性、围岩压力拱的时效特征及其影响因素,为后续分析提供依据。 ④通过浅埋、大跨地铁车站隧道施工力学行为相似模型实验,研究了隧道直墙受力和地表的沉降规律。 ⑤通过基于透明土实验技术和PIV测量技术的模型试验,根据相似原理进行了二维隧道开挖模拟。在保证其他条件相同的情况下,控制单一变量,分别研究了相同跨度不同埋深条件和相同埋深不同跨度条件下隧道围岩压力拱的形成规律。试验结果表明,隧道深浅埋分界跟规范相比,埋深可以大为降低。 ⑥相似模型实验、现场测试数据与三维数值分析结果趋势吻合一致,验证了三维数值分析可以用来指导此类隧道的设计和施工。 本文的研究成果,有助于提高人们对大跨浅埋隧道施工力学规律的认识,对类似工程设计和施工具有一定的指导价值,其成果可作为编制设计规范的参考。