超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的分析与设计

论文摘要

在超浅埋暗挖地下工程下穿道路施工中，常采用超前支护及初期支护的方法加固地下工程的围岩，尤其是顶部围岩，使其保持稳定且不产生过大的变形，从而能够承受上方土体重量和路面车辆荷载的作用。但是，由于岩土条件差、覆土厚度薄、地下管线多等因素的不利影响，超前支护和初期支护不能有效实施，或经加固的地层承载能力仍然不足以抵抗上部地层及荷载的作用，造成路面塌陷，危及行车安全，甚至带来生命财产损失。目前常用的方法是铺设20mm钢板来降低车辆荷载对于地下结构影响，但是由于钢板厚度有限，抗弯刚度小，分散荷载的作用有限。本文拟研究提出一种刚度较大的型钢骨架铺盖结构来分散车辆荷载的影响，并对此铺盖结构的分散荷载作用进行研究。从研究铺盖结构方案入手，研究提出一种标准化、模数化型钢骨架铺盖结构快速构建临时路面，此结构主要包括主铺盖结构、斜坡道铺盖结构以及铺盖结构配件，来替代原来所铺设的钢板铺盖结构。基于弹性地基梁理论，研究分析了对于铺盖结构分散荷载的影响因素，分析了铺盖结构本身的截面惯性矩以及铺设铺盖结构所在地的地基基床系数的变化对于地下结构影响。依托北京地铁四号线西单车站2、3#出入口暗挖隧道实例，采用弹性地基梁理论计算出在不同的铺盖结构下，车辆荷载对于地下结构的影响。应用ABAQUS软件建立了二维非线性有限元模型，分别模拟了铺设了20mm、40mm、60mm厚的钢板铺盖以及型钢骨架铺盖结构的超浅埋隧道在车辆荷载作用下的受力情况，从而了解车辆荷载对超浅埋隧道地下结构的影响，以及了解型钢骨架铺盖结构对于车辆荷载的分散和削峰作用。主要结论与成果有：(1)首次提出了型钢骨架铺盖结构的设计方案，并申请了国家发明专利和实用新型专利各一项，专利号分别为：201110460705.8和201120575138.6。(2)得到了影响铺盖结构分散荷载作用的主要因素，地基反力随结构的惯性矩的增大而减少，随基床系数的增大而增大。(3)得出在型钢骨架铺盖结构的辅助措施下，相对于采用20mm钢板铺盖结构，路面压力的最大值减少80%左右。(4)采用数值模拟的方式，得出隧道在型钢骨架铺盖结构保护下，车辆荷载所产生的地表沉降能比采用钢板铺盖时减少约75%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 超浅埋暗挖地下结构施工支护措施及辅助方法研究现状
• 1.2.1 超浅埋隧道的界定
• 1.2.2 超浅埋暗挖隧道的加固方法
• 1.3 研究铺盖结构的必要性
• 1.3.1 国内超浅埋暗挖工程举例
• 1.3.2 国内外预支护技术研究现状
• 1.3.3 研究现状评述
• 1.4 本文研究的内容与方法
• 第2章 超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的特点
• 2.3 超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的方案设计
• 2.3.1 主铺盖结构的方案设计
• 2.3.2 斜坡道铺盖结构的方案设计
• 2.3.3 铺盖结构配件的方案设计
• 2.4 铺盖结构的施工方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 利用弹性地基梁理论分析铺盖结构的分散荷载作用
• 3.1 概述
• 3.2 弹性地基梁理论
• 3.3 温克尔地基梁的计算
• 3.3.1 按温克尔假定计算弹性地基梁的基本方程
• 3.3.2 温克尔弹性地基梁的分类
• 3.3.3 按温克尔假定计算短梁
• 3.3.4 按温克尔假定计算长梁
• 3.4 影响铺盖结构分散荷载作用的主要因素分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 铺盖结构分载作用下路面反力的计算
• 4.1 概述
• 4.2 地铁西单 2、3#出入口工程概况
• 4.3 出入口暗挖通道的所采取的加固措施及施工方法
• 4.4 路面压力计算所采用的荷载
• 4.4.1 《公路桥涵设计规范》规定的荷载
• 4.4.2 《城市桥梁设计荷载标准》规定的荷载
• 4.5 路面压力计算所采用的模型
• 4.5.1 铺盖结构的构造形式及其尺寸
• 4.5.2 弹性地基梁计算时的模型
• 4.6 路面反力的计算
• 4.7 本章小结
• 第五章 采用铺盖结构后车辆荷载对地下结构作用的数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 数值模拟分析
• 5.2.1 ABAQUS 程序概述
• 5.2.2 基本假定
• 5.2.3 注浆小导管的力学模拟
• 5.2.4 计算参数
• 5.2.5 西单车站暗挖段断面的数值模拟
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢