大型盾构工作井结构稳定性研究

论文摘要

深基坑工程是当前岩土工程领域中的热点与难点问题之一。要确保基坑结构的稳定,在很大程度上依赖于支护参数的选取。支护参数过大,虽然能保证结构的稳定,但会造成支护费用的浪费；反之则不能保证结构的安全。如何在有效控制基坑变形的同时,能够使工程既安全又经济,是人们一直探索的课题。本文在对国内外基坑工程的相关研究成果、土压力理论以及支护结构设计理论进行系统归纳、总结的基础上,以南京市纬三路过江通道江北盾构工作井为依托工程,分别采用弹性地基梁法和连续介质有限元方法对工作井进行数值模拟计算,得到盾构工作井的结构受力和基坑变形的规律,针对各个支护结构的最不利受力状态,进行结构配筋计算；采用正交试验设计分析方法,对盾构工作井的支护参数进行优化设计,在确保结构安全的基础上,提出材料成本最低的设计方案。主要工作和结论如下：(1)地下连续墙接头模拟方法研究。考虑基坑支护体系中地下连续墙接头的存在形式,根据其力学性质,研究连续墙接头模拟方法及其理论依据。结果表明,考虑连续墙接头模拟的结构受力和变形结果能较好反映真实情况。(2)基坑工作井支护结构受力分析。分别使用弹性地基梁法与连续介质有限元法的数值模拟方法来分析基坑工作井支护结构的受力状态和位移状态。结果表明：连续墙的最大水平位移出现在基坑底部偏上的位置,并伴随着较大的正弯矩；环梁与连续墙浇筑到一起,处于关键位置的第二层环梁受力最大；连续墙和环梁与内衬墙复合到一起形成永久支护结构,使内衬墙的受力较小；由于支护结构的合理性,工作井开挖对周围土体变形的影响均控制在合理范围之内。(3)盾构工作井支护结构参数优化设计研究。通过正交试验法研究盾构工作井在不同连续墙厚度、环梁厚度、内衬墙厚度及支撑的截面厚度下结构的稳定性,在此基础上,对支护费用进行量化分析。得出以下结论：①连续墙厚度的增加一方面可以明显改善环梁、支撑和内衬墙等结构的受力状态,减少各支护结构的配筋量；另一方面可以明显减小工作井基坑侧壁的水平位移。②增加关键位置处环梁的厚度可以显著改善其他环梁和连续墙的受力状态,使支护结构更加安全。③内衬墙厚度的增加对工作井基坑的水平位移基本没有影响；但它的厚度可以改善盾构机破墙过程中连续墙和环梁的受力。④支撑截面的增加可以使基坑水平位移有所减小,使连续墙的受力状态有明显改善。⑤在一定范围内增加连续墙的厚度,减小内衬墙的厚度,可以明显减少支护费用。综合本文研究成果发现：使用正交试验设计方法确定工作井合理的支护参数可以大大减少计算数量,比较传统的基坑设计中的经验类比法,本文给出的最优解答比较科学合理,满足结构稳定和材料成本最低的要求,突破了设计规范中对支护设计模棱两可的缺点,研究方法适宜推广。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基坑支护结构的研究现状
• 1.2.1 基坑工程的特点
• 1.2.2 基坑支护方式及其特点
• 1.3 支护结构分析方法研究现状
• 1.3.1 弹性地基梁法
• 1.3.2 连续介质有限元方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 基坑支护设计的相关理论
• 2.1 土压力理论
• 2.1.1 静止土压力的计算
• 2.1.2 朗肯土压力理论
• 2.1.3 库仑土压力理论
• 2.2 支护结构设计方法
• 2.2.1 弹性地基梁法
• 2.2.2 连续介质有限元法
• 2.3 连续墙接头模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 盾构工作井基坑开挖数值分析模型
• 3.1 盾构工作井工程概况
• 3.1.1 工程介绍
• 3.1.2 工程地质条件
• 3.2 支护方案
• 3.2.1 维护结构形式的选择
• 3.2.2 支撑系统结构形式的选择
• 3.2.3 地基加固方案的选择
• 3.3 计算模型
• 3.3.1 支护结构的模拟
• 3.3.2 土体的模拟
• 3.3.3 连续墙接头的模拟
• 3.3.4 土体与结构的接触模拟
• 3.4 计算工况
• 3.5 本章小结
• 第四章 盾构工作井基坑计算结果分析及结构配筋计算
• 4.1 连续墙位移计算结果分析
• 4.2 连续墙弯矩计算结果分析
• 4.3 环梁弯矩计算结果分析
• 4.3.1 第一层环梁弯矩分析
• 4.3.2 第二层环梁弯矩分析
• 4.3.3 第三层环梁弯矩分析
• 4.3.4 第四层环梁弯矩分析
• 4.3.5 第五层环梁弯矩分析
• 4.4 支撑轴力计算结果分析
• 4.4.1 第一道支撑轴力分析
• 4.4.2 第二道支撑轴力分析
• 4.4.3 第三道支撑轴力分析
• 4.4.4 第四道支撑轴力分析
• 4.4.5 第五道支撑轴力分析
• 4.5 内衬墙弯矩计算结果分析
• 4.6 基底竖向变形结果分析
• 4.7 地表沉降结果分析
• 4.8 盾构工作井结构配筋设计
• 4.8.1 构件配筋计算相关参数
• 4.8.2 构件配筋计算步骤
• 4.8.3 各结构配筋结果
• 4.9 本章小结
• 第五章 盾构工作井支护结构参数优化设计
• 5.1 正交试验简介
• 5.1.1 试验指标
• 5.1.2 试验因素
• 5.1.3 因素的水平
• 5.1.4 正交试验的特点
• 5.2 工作井支护参数的正交试验设计
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 工作井支护的评价指标
• 5.2.3 工作井支护参数的选择
• 5.2.4 正交试验设计步骤
• 5.3 正交试验参数优化设计结果直观分析
• 5.3.1 支护参数对连续墙的影响分析
• 5.3.2 支护参数对环梁内力的影响分析
• 5.3.3 支护参数对支撑内力的影响分析
• 5.3.4 支护参数对内衬墙内力的影响分析
• 5.3.5 支护参数对各结构配筋率的影响分析
• 5.3.6 支护参数对工作井材料成本的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 建议与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表