北京地铁区间隧道地表沉降模型试验研究

论文摘要

随着城市地铁工程在我国蓬勃发展,预计21世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代,与此相关,也会涌现出大量的岩土工程技术问题需要解决。目前,以浅埋暗挖法施工的城市地下工程,存在的最突出的问题是在开挖过程中扰动地层,引起周围地层的应力、位移的重分布,从而导致地表下沉,对临近建(构)筑物、道路、地下管线等造成不同程度的破坏和影响。因此,如何在城市地下工程施工过程中防止地层坍塌,保证支护结构的安全并可靠地预计和有效地控制施工所引起的地面沉陷以保护工程沿线建筑物和地下管线的安全,已成为城市地铁工程建设中必须解决的一项重要课题。本文以北京地铁五号线这一实际工程为背景,通过模型试验研究浅埋暗挖隧道施工过程中地表沉降规律,并与现场实测数据和数值计算相互对比,对无支护隧道开挖过程的地表沉降情况予以研究,进一步验证模型试验的可靠性。在模型试验过程中,正确地选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键,本文在调研了相似材料研究的现状的基础上,分析了相似材料选择与组合的原则。借鉴前人的经验,通过大量的配比试验,我们研制了一种适合北京地质条件的相似材料,这种材料用重晶石粉、石英砂作为骨料,凡士林作为胶结剂混合而成。通过大量的力学试验和对试验数据进行分析,总结出了影响这种相似材料力学参数的若干因素,并对弹性模量做重点测试,分析了若干因素对材料物理力学性质的影响,并使用MATLAB程序对实验数据进行了拟合,得出一定范围内各材料组分含量对弹性模量大小的影响。最后得到：新材料具有容重高、强度与弹模低、性能稳定、易于购买,价格便宜、易干燥、易于加工堆砌、可重复使用的特点。它可以模拟范围较广的岩体材料,是一种比较理想的地质力学模型相似材料。在掌握了相似材料性质影响因素及其规律的基础上,本文针对北京典型地质和典型隧道断面进行平面模型试验。经过拟合,地表沉降曲线基本符合Peck所述的地表沉降规律,在此基础上,将现场实测、模型试验和数值计算的结果进行对比。对比结果表明,模型试验结果与数值计算所得结果相差很小,可认为简化后的模型适用于模拟北京典型地铁区间,而本文所采用的相似材料用于模拟北京典型地层是合适的；无支护状态下隧道的地表沉降较大,在工程中应注意及时支护。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 隧道施工引起地表沉降规律的研究现状
• 1.3 相似材料及地质力学模型试验发展现状
• 1.4 论文的主要内容及研究方法
• 1.4.1 论文主要内容
• 1.4.2 论文主要方法
• 第二章 相似理论与模型试验原理
• 2.1 引言
• 2.2 相似理论基本概念
• 2.2.1 相似理论术语及其定义
• 2.2.2 相似三定理
• 2.2.3 相似准数的导出
• 2.3 应力场相似理论
• 2.3.1 利用方程分析法研究
• 2.3.2 利用量纲分析法研究
• 2.4 破坏试验及地质力学相似理论
• 2.5 相似准数的选择方案
• 2.6 衬砌结构相似准则
• 2.6.1 弯曲变形相似准则
• 2.6.2 轴向变形相似准则
• 2.7 小结
• 第三章 围岩相似材料研究及相关试验
• 3.1 相似材料力学参数的确定
• 3.2 岩体相似材料的原材料选定
• 3.3 岩体相似材料的土工试验
• 3.3.1 密度测试
• 3.3.2 粘聚力及内摩擦角测试
• 3.3.3 泊松比及弹模测试
• 3.4 衬砌材料的研究
• 3.5 小结
• 第四章 正交试验及弹性模量试验结果分析
• 4.1 正交试验结果分析
• 4.1.1 正交试验原理
• 4.1.2 正交试验基本知识
• 4.1.3 正交试验结果
• 4.1.4 正交试验结果分析
• 4.2 弹性模量试验结果分析
• 4.2.1 凡士林含量对相似材料弹性模量的影响
• 4.2.2 石英砂含量对相似材料弹性模量的影响
• 4.2.3 重晶石含量对相似材料弹性模量的影响
• 4.3 影响相似材料性质的若干因素
• 4.4 小结
• 第五章 相似材料在北京地铁区间隧道中的应用
• 5.1 模型试验的一般程序
• 5.2 无支护隧道开挖模拟实验
• 5.2.1 隧道情况概述
• 5.2.2 试验装置
• 5.2.3 模型相似材料
• 5.2.4 模型试验过程
• 5.3 模型实验测试结果分析
• 5.4 模型试验与现场实测及数值分析结果对比
• 5.4.1 五号线区间隧道现场实测调查
• 5.4.2 五号线简化典型断面区间隧道数值计算
• 5.5 三种情况的对比分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集