管幕结构法施工引起地层及建筑物变形研究

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在城市快速发展的过程中,人们对城市道路交通提出越来越高的要求,而地下道路已经成为当代解决大城市中心城区交通问题的主要途径。但在地下工程建设的同时,为了防止邻近建构筑物及文物在地下工程施工过程中发生破坏,地下工程施工方法一直在不断创新和改进。南京建宁西路下穿仪凤门项目采用管幕结构法进行施工,为揭示管幕结构法施工过程对地层及邻近建筑物的影响规律,本文依托该工程利用数值模拟、理论推导及解析计算等方法对管幕结构法施工过程中的城墙及城门控制标准、竖井及顶管施工引起的地层与结构变形以及施工过程中的加固方案进行了深入的研究。形成了管幕结构法施工过程中的研究规律,对后续采用管幕结构法施工的工程具有一定的借鉴意义。本文的主要研究结论如下:(1)基于仪凤门及古城墙的现有承载能力提出了基坑施工及隧道施工的控制标准。总结归纳了现行分析地下工程施工时对地层变形的几类预测方法,利用上述预测曲线和数值模拟建立起控制标准研究,得出仪凤门城门沉降及不均匀沉降的控制标准,以及古城墙的沉降控制标准。(2)基于Mindlin基本解推导出矩形顶管施工过程地层变形解析解。利用弹性力学在半无限体内受集中力作用下的的Mindlin解,采用积分推导出地层任意点在矩形顶管正面推力、顶管侧面摩擦力作用下以及地层损失的影响下的土体变形解,利用6点Gauss-Legendre数值积分在MATLAB平台上进行计算求解;对该解得出的结果进行分析:在埋深越大时,顶管施工引起的地表沉降越小但影响范围会越大;正面附加推力、侧面摩擦力及地层损失的共同作用下,地表沉降变形曲线表现为开挖面前方隆起,后急剧下沉,后逐渐回弹并趋于平稳;影响地表沉降最大的因素顺序依次为地层损失、侧面摩擦力、正面附加推力;利用数值模型分析了不同的顶管顶进顺序下地表沉降变形的规律,认为从上往下施工的施工顺序对地表沉降控制效果最佳。(3)基于竖井施工全过程的数值模拟揭示了在竖井开挖施工下地层、围护结构及周边建筑物的变形范围及规律。研究表明基坑坑外土体在存在建筑物时会有明显加固作用,地层的刚度变大,地层在扰动作用的变形变小;但竖井的围护结构内力和侧向变形由于附加荷载也会增大;城门的桩基竖井的施工作用下会产生侧向变形,对桩的承载能力也产生较大影响,使得城门的基础发生较大沉降;古城墙在施工中变形最大位置为城墙拐弯点,拐点基础处易产生开裂病害;综合分析了东西竖井的开挖顺序,推荐采用先东后西的竖井施工顺序。(4)基于三种加固方案数值模拟结果明确了各类加固方案的优缺点。针对三轴搅拌桩加固、钻孔灌注隔离桩加固及袖阀管注浆加固三种加固措施;研究认为注浆加固易对古城墙产生二次破坏使得城墙出现开裂且对城门变形控制不明显,而钻孔灌注桩对变形控制有较好效果,但会增大后续顶管施工难度,因此推荐采用三轴搅拌桩在竖井两侧及坑底进行加固。
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