【摘要】 隨著地鐵的大量興建，地鐵車站的施工條件日益復(fù)雜。對(duì)于地面交通繁忙而地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)條件，PBA（洞樁法）工法施工往往成了地鐵修建的首選方案。當(dāng)然PBA（洞樁法）也會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生不可避免的擾動(dòng)，研究PBA工法施工對(duì)地表沉降影響，對(duì)結(jié)構(gòu)自身的安全以及周邊既有結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全都具有重要意義。本文以北京地鐵工程建設(shè)實(shí)例為背景,運(yùn)用有限元計(jì)算軟件（MIDAS-GTS）對(duì)PBA工法施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬分析。并且將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。同時(shí)對(duì)地表最終沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析PBA工法全過(guò)程對(duì)地表的沉降影響。并且分析了導(dǎo)洞開挖的不同方案對(duì)地表沉降的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下：1.以實(shí)際工程為背景，通過(guò)MIDAS-GTS建立三維地層結(jié)構(gòu)模型，模擬實(shí)際開挖工況，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果的可靠性。2.在實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致的情況下，對(duì)地表的最終沉降值進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)對(duì)車站主體PBA工法施工的每一個(gè)施工工序?qū)Φ乇沓两档挠绊�，以及結(jié)構(gòu)自身的影響�？偨Y(jié)出PBA工法對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。3.根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致的情況下，討論導(dǎo)洞開挖不同順序?qū)Y(jié)構(gòu)自身以及地表沉降的不同影響，進(jìn)行差異比較，選出較優(yōu)方案，給實(shí)際施工提供參考依據(jù)。
 
【關(guān)鍵詞】 北京地鐵； 施工方法； PBA工法； 數(shù)值模擬； MIDAS-GTS； 地下工程支護(hù)理論；

第 1 章 緒論

1.1 選題背景
1.1.1選題背景
二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人口的流動(dòng)量增大，尤其城市人口不斷增加給交通增加了前所未有的壓力。人們逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展城市地鐵交通系統(tǒng)可以很大的緩解城市交通壓力。地鐵交通系統(tǒng)具有運(yùn)量大、速度快、時(shí)間間隔短、節(jié)約地上空間和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)從而得到了快速發(fā)展。1965 年，我國(guó)在北京修建第一條地鐵。1976 年，天津地鐵首段開通。但隨后 20年的時(shí)間，中國(guó)地鐵一直處于停滯期。一直到 1995 年上海才開通了地鐵。隨之西安、重慶、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、深圳、廣州、南京等城市逐漸開始進(jìn)行地鐵的修建，目前全國(guó) 28座城市都進(jìn)行了地鐵的修建。中國(guó)地鐵截止到 2006 年全國(guó)運(yùn)行的地鐵總共只有 10 條線路，而到 2010 年就增到了 48 條，2015 年預(yù)計(jì)運(yùn)行的地鐵線將 96 條，到 2050 年，這一數(shù)字將可能變成 289 條。由此可見中國(guó)地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。
隨著地鐵的大量興建，地鐵建造的環(huán)境條件也日益復(fù)雜，為了滿足工程的需要，地鐵車站的施工工法也不斷創(chuàng)新發(fā)展。目前地鐵常用的施工工法有明挖法、蓋挖法、暗挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、洞樁法以及明、暗挖結(jié)合法。洞樁法作為一種新興的工法適用于現(xiàn)在地面交通繁忙而地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時(shí)洞樁法施工對(duì)地面擾動(dòng)小，特別適用于對(duì)地表沉降要求高的條件。因此，PBA洞樁法在眾多的暗挖工法中以其特殊的優(yōu)勢(shì)為人們所關(guān)注(高成雷，羅書學(xué)，朱永全．2002)。
1.1.2 選題意義
我國(guó)大中城市的交通狀況日趨緊張。到目前為止，各大城的車均道路面積以每年10%~15%的速度下降。地面大量機(jī)動(dòng)車不僅對(duì)城市的空氣造成污染，同時(shí)也產(chǎn)生噪聲污染，對(duì)城市居民的身心健康也產(chǎn)生很大的影響。因此城市地下軌道交通的發(fā)展迫在眉睫。城市地下軌道交通不僅能夠緩解地面交通壓力，給城市居民生活帶來(lái)便利，同時(shí)也充分利用地下空間，節(jié)約土地資源。尤其對(duì)于城市中心商業(yè)密集、人口居住密度高的地方，城市地下軌道交通是其最好的選擇。同時(shí)城市軌道交通的發(fā)展也可以帶動(dòng)周邊商業(yè)、房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展。在現(xiàn)在新建的地鐵車站中不乏地鐵車站與周邊商業(yè)進(jìn)行一體化開發(fā)，帶動(dòng)地鐵周邊經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是值得注意的是：由于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，商業(yè)高樓不斷聳立，地下商場(chǎng)不斷涌出，以及地下分布的錯(cuò)綜復(fù)雜的管線，這些都給地鐵車站及區(qū)間的施工帶來(lái)很大的困難。淺埋暗挖法中的 PBA 工法在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下得到很好地應(yīng)用，對(duì)控制地表沉降以及周邊建筑影響都有顯著的成效。但是PBA 工法始終是實(shí)踐先于理論，目前對(duì)于 PBA 工法的理論尚不成熟，這對(duì)以后得施工和推廣都造成一定的障礙。因此本文結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用有限元軟件 MIDAS-GTS 對(duì)PBA 工法施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，研究該工法的內(nèi)在機(jī)理以及對(duì)地表的沉降影響。同時(shí)研究導(dǎo)洞不同開挖順序?qū)Φ乇淼某两涤绊�。希望能�?duì)以后類似工程實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。（呂娉霏,2011）
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1．2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 地下工程支護(hù)理論發(fā)展
地下工程支護(hù)理論的發(fā)展大致分為四個(gè)階段：古典壓力理論階段、散體壓力理論階段、現(xiàn)代支護(hù)理論階段以及數(shù)值理論階段。（肖濤，2010）
第一階段，古典壓力理論階段。
古典壓力理論開始應(yīng)用和發(fā)展主要是在二十世紀(jì)二十年代以前。這一階段一般地下工程結(jié)構(gòu)上覆土層厚度較小，該階段理論認(rèn)為作用在地下洞室結(jié)構(gòu)上的豎向土壓力 p等于結(jié)構(gòu)正上方土體的重度 與結(jié)構(gòu)上方距地面 H 的乘積。在水平土壓力方面，不同學(xué)者對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)的觀點(diǎn)有所不同，海姆（A.Haim）認(rèn)為土體的側(cè)壓力系數(shù)等于1。朗肯（W.J.M.Rankine）認(rèn)為土層的側(cè)壓力系數(shù)是tan (45－φE/2)  ，這是根據(jù)散體理論而來(lái)的。金尼克則依據(jù)彈性理論認(rèn)為土層側(cè)壓力系數(shù)等于μ/1－μ  ，其中 為土體的內(nèi)摩擦角，μ 為泊松比。
第二階段，散體壓力理論階段。
隨著地下結(jié)構(gòu)開挖的深度不斷增加，地下結(jié)構(gòu)覆土厚度不斷增大，既有的古典壓力理論已不適用，因此產(chǎn)生了散體壓力理論。這類理論的適用條件是地下埋深較大的工程，該理論認(rèn)為：地下支護(hù)結(jié)構(gòu)上部作用的土壓力力并不是土體的重度 與結(jié)構(gòu)上方距地面 H 的乘積，而是在開挖洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)上方坍落拱內(nèi)的松動(dòng)巖土體的重量。代表理論有太沙基理論、普式理論、謝家烋公式和比爾鮑曼公式。他們都認(rèn)為塌落拱的高度與圍巖性質(zhì)和地下結(jié)構(gòu)的跨度有關(guān)。
（1）太沙基理論公式太沙基理論：
假設(shè)巖體為非連續(xù)的散粒體，但是巖體具備的一定的粘聚力。由于巖體中有一定的原生及次生各種結(jié)構(gòu)面，并且加上洞室開挖，所以圍巖不可能是連續(xù)體，如圖 1-1所示。


式中：
λ ——水平土壓力與垂直土壓力之比，計(jì)算中取 1；
Φ ——內(nèi)摩擦角；
H——隧道埋深；
a1——土柱寬度的一半。
（2）普氏理論公式
普氏理論建立在自然平衡拱的基礎(chǔ)上，作了以下假設(shè)：
1、巖體由于節(jié)理的切割，經(jīng)開挖以后形成松散巖體，但仍具有一定的粘聚力；
2、洞室開挖完成以后，洞室上方的巖體將形成一個(gè)自然平衡拱。在開挖洞室的側(cè)壁處，沿側(cè)壁產(chǎn)生兩個(gè)側(cè)壁夾角為45－φ/2的方向滑動(dòng)面，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 1-2所示。

，b為平衡拱的高度，1a 為平衡拱跨度的一半，a為洞室的半個(gè)跨度，h為洞室凈高，φ0（ φ0 =arctan f）為巖體近似內(nèi)摩擦角，f為巖石堅(jiān)固系數(shù)。
（3）謝家烋公式

θ是頂板土柱兩側(cè)摩擦角， γ為圍巖重度， φ為土體的內(nèi)摩擦角， β是形成最大推力時(shí)的破裂角。該公式考慮了洞室上方兩側(cè)土體的挾制作用。

本文編號(hào)：9029