【摘 要】
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基坑上跨既有盾构隧道开挖,导致地层应力释放及坑底土体回弹,会引发隧道结构上浮变形。门式抗浮框架是一种由抗拔桩和抗浮板组成的隧道抗隆起结构,近年来逐渐被应用于工程当中。然而根据现有的工程案例及研究现状,工程仍存在抗浮框架与地层相互作用机制不清、抗隆起效果不明,结构凭经验设计等难题。本文以深圳市桂庙路快速化改造(一期)工程为工程依托,研究门式抗浮框架对隧道上浮变形的控制机理及控制效果。通过现场实测,探
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基坑上跨既有盾构隧道开挖,导致地层应力释放及坑底土体回弹,会引发隧道结构上浮变形。门式抗浮框架是一种由抗拔桩和抗浮板组成的隧道抗隆起结构,近年来逐渐被应用于工程当中。然而根据现有的工程案例及研究现状,工程仍存在抗浮框架与地层相互作用机制不清、抗隆起效果不明,结构凭经验设计等难题。本文以深圳市桂庙路快速化改造(一期)工程为工程依托,研究门式抗浮框架对隧道上浮变形的控制机理及控制效果。通过现场实测,探明门式抗浮框架施工阶段和主体工程施工阶段中的隧道变形响应规律。基于单竖井开挖数值模拟,揭示了门式抗浮框架施工过程隧道-土体-桩的相互作用机制。基于门式抗浮框架下基坑开挖数值模拟,揭示了不同桩长门式抗浮框架的抗隆起效果,最终提出门式抗浮框架设计建议,为类似工程门式抗浮框架的设计及施工提供借鉴。主要研究成果如下:(1)基于现场自动化监测,获得了下卧隧道在门式抗浮框架施工阶段(竖井开挖)和主体工程施工阶段(基坑开挖)的变形响应:(1)竖井开挖引起隧道顶部产生明显的竖向位移,并引起隧道断面产生明显的竖向收敛变形,使得隧道向竖鸭蛋的变形模式发展;(2)竖井非隔三挖一对隧道上浮产生了明显的叠加效应,且竖井回填无法使隧道的上浮完全恢复(不同标段的平均恢复率为62.5%-85%);(3)竖井开挖阶段,归一化后的隧道上浮与卸载率呈指数正相关。基坑开挖阶段,隧道上浮与卸载率呈线性正相关;(4)部分断面的上浮值在基坑开挖到底前便趋于稳定,说明门式抗浮框架发挥了抗隆起的作用。(2)基于竖井开挖数值模拟,揭示了门式抗浮框架施作过程中隧道-土体-桩的相互作用机制:(1)明确了隧道在竖井开挖过程引起了隧道变形范围为1.4倍竖井开挖深度(约3倍的竖井宽度),进而验证“隔三挖一”为最合适的竖井跳挖间隔;(2)竖井开挖过程,隧道上浮以隧道顶部的上浮位移为主,收敛变形由横鸭蛋的变形模式向竖鸭蛋的变形模式发展,最大上浮量与桩长呈分段式的线性负相关;(3)竖井回填后隧道变形无法完全恢复,恢复率为89%,其原因为回填荷载通过板桩向桩周土体传递过程中,使得隧道周边土体水平应力的恢复程度大于竖向应力;(4)获得了抗拔桩在竖井开挖过程中桩-土相互作用机制及桩身内力与桩长的关系:相同桩长下,隧道的上浮受竖井开挖面积及卸载率的影响较大,且抗拔桩的内力随着竖井开挖面积及卸载率的增加而增大。抗拔桩轴力与桩长呈线性正相关,抗拔桩弯矩与桩长呈分段式的线性正相关。(3)基于基坑开挖数值模拟,揭示了门式抗浮框架对下卧隧道的抗隆起机理:(1)通过有无抗浮框架工况的对比,发现两种工况下的隧道最终上浮相差4.2mm,从而确定了门式抗浮框架的有效性;(2)明确了门式抗浮框架-土相互作用机制,即门式抗浮框架在坑底土体回弹的带动下向卸载侧发生变形,抗拔桩在上拔过程中由桩顶往下逐渐发挥桩侧摩阻力并逐渐限制抗浮板的上浮,抗浮板凭借自身较大的抗弯刚度抵抗框架的整体变形,从而限制了坑底土体的回弹;(3)通过参数敏感性分析发现隧道上浮与桩长呈明显的线性负相关,因此桩长的增加对于隧道上浮的控制效果较为明显。板厚的增加对于隧道上浮的控制效果较为有限,但却能提高门式抗浮框架的整体性并减小桩的变形及内力;(4)抗拔桩的内力随着桩长的增加而线性增大,同时随着板厚的增加而减小。(4)根据竖井开挖阶段桩-土相互作用机制,以及基坑开挖阶段门式抗浮框架的抗隆起机理,同时结合参数敏感性分析的结果,对门式抗浮框架的设计及现场施工提出了建议。
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