如何确保地铁隧道的地基稳定是地铁建设必须首先解决的重大技术问题,多数情况下,在地铁建设的勘察设计阶段,通过合理选址和采取适当的常规技术措施,问题即可得以解决。然而也有例外,新建乌鲁木齐市轨道交通1号线由于各种条件限制,必须穿越六道湾煤矿的两大塌陷区(俗称南大槽和北大槽),在煤矿塌陷区上新建地铁隧道,国内外尚无先例,没有成功的经验可供借鉴。因此,如何安全穿越塌陷区以确保建成后的地铁隧道长期运营安全,从工程规划伊始就作为一项重大难题摆在了建设者面前。本文即以地铁穿越塌陷区为研究对象,采用综合研究手段,对塌陷区的形成过程、残余变形趋向以及塌陷区侧壁围岩稳定性展开了深入研究,在此基础上,首次提出并设计了“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”综合穿越方案,并取得了良好的工程效果,实现了新建地铁隧道对煤矿塌陷区的顺利穿越。本文获得如下主要研究结论:(1)基于突变理论和广义H-B强度准则,建立了塌陷区残留空区顶煤冒落失稳非线性研究模型,利用该模型对探测出的塌陷区残留空区进行预测,得到的塌陷区残留空区的顶煤稳定性预测结果均为稳定状态,说明后期塌陷区内残留小型空区顶煤不会发生突变失稳破坏和顶煤筒状塌落破坏现象。(2)构建了塌陷区残余移动变形预计模型及残余沉降动态预测模型,将该模型对本工程南、北大槽塌陷区进行验证,计算得到残余移动变形预计最大值与实测最大值均比较接近,相对误差在±7%范围内;动态预测最大残余沉降值为303mm,实测的最大残余沉降值为299mm,说明残余沉降过大,不满足设计允许的竖向沉降值,塌陷区内不能直接作为地铁隧道结构地基,必须对其进行加固处治。(3)计算结果表明地铁荷载作用下塌陷区主要以上盘围岩破坏为主,下盘围岩基本没有受到波及,因此需对上盘围岩进行加固处理。基于结构力学理论得到地铁荷载作用下南大槽塌陷区上盘围岩顶部发生剪切破坏的范围为11.3m,北大槽为14.1m;基于UDEC离散元数值模拟分析得到南大槽塌陷区上盘围岩顶部发生再次塌陷失稳破坏的最大影响范围为12m,北大槽为15m;基于相似模拟试验得到南大槽塌陷区上盘围岩顶部发生再次塌陷失稳破坏的最大影响范围为13.2m,北大槽为15.6m。上述结果为地基处治方案中侧壁围岩的加固方案设计提供了依据。(4)综合上述研究成果并考虑施工工艺、施工工期、加固方案的可行性、加固效果及加固成本等因素,设计并提出了新建地铁隧道穿越塌陷区的“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”综合穿越方案,在该工程应用后得到加固后的地基沉降符合规范要求,地基承载力及抗压强度均满足设计要求,可以作为新建地铁隧道结构的地基。针对新建地铁隧道穿越煤矿塌陷区所面临的主要问题和技术难点,本文在研究过程中取得了如下创新性成果:(1)提出并设计了一种新建地铁隧道穿越塌陷区的“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”综合穿越方案。(2)基于突变理论和广义H-B强度准则构建了急倾斜特厚煤层采空区顶煤非线性冒落模型。(3)构建了一种适用于急倾斜特厚煤层采空塌落区的残余变形预计模型及残余沉降动态预测模型。目前,该隧道主体结构及上部回填工程已基本结束,监测数据表明,所有控制性指标均符合国家规范要求,说明本文所取得的技术成果已应用成功,对国内外同类工程的建设亦可发挥重要的借鉴作用。