配合盾构法修建地铁车站的方案及实施技术问题研究

论文摘要

目前在我国地铁建设中，盾构法仅限于断面型式较单一、直径6.0m左右的区间隧道。由于设备能力及设计施工技术经验的不足，在车站及特殊断面隧道中未直接或间接采用盾构法进行施工的尝试，这一现状无疑限制了盾构法的大规模应用。为寻求盾构法在城市地铁工程中的大规模应用，达到进一步提高地铁工程的建设质量，缩短建设周期，从总体上较大幅度地降低工程造价的目的，结合我国实情，进行配合盾构法修建地铁车站等特殊断面隧道的设计与施工技术研究有其重要意义。以广州地铁3号线林和西路站的设计原则和技术标准以及地质参数为基础资料，提出了配合盾构法修建地铁车站的方案。采用相似模型试验、二维和三维有限差分数值模拟方法，研究了扩挖建成三连拱和两连拱车站的可行性及主体结构的合理形状和主要参数，扩挖施工引起的地表沉降、地层应力动态变化过程、管片衬砌结构应力变化、车站主体结构受力特征及作用于结构上的荷载量值，并提出了合理扩挖方案及加固处理措施。主要成果如下：1．提出了配合盾构法修建三连拱和两连拱地铁车站施工技术的基本思路及具体方案，并设计了车站主体结构型式、特殊管片和支护结构体系以及典型扩挖施作步骤。2．采用几何相似比C_L=30，进行了在区间盾构隧道的基础上扩挖建成三连拱和两连拱车站的施作全过程室内相似模型试验，结果表明配合盾构法修建地铁车站是可行的：得出了合理的扩挖施作方案，并提出了扩挖施工中的超前加固处理措施和范围。3．基于荷载—结构模型建立了车站主体结构设计计算分析力学模型，并采用有限元法进行了三连拱和两连拱车站主体结构合理形状及主要参数研究。4．采用相似模型试验和数值模拟计算研究了扩挖施工引起的地层位移场和应力场的动态变化规律，得出了地表沉降曲线的形状、沉降槽宽度、最大量值和发生的位置，对地表环境的影响进行了评价。5．研究了扩挖施工完成后作用于车站主体结构上的荷载量值、施工中盾构隧道管片衬砌结构的内力变化及车站主体结构的受力特征，就衬砌结构是否满足设计要求进行了评价，并提出了设计中应采取的构造处理措施和配筋建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 地铁车站施工方法现状
• 1.1.3 问题的提出
• 1.2 国外配合盾构法修建地铁车站的现状
• 1.2.1 扩挖区间盾构隧道建成车站
• 1.2.2 建成平行隧道车站
• 1.2.3 采用固定式或分离式连体盾构直接修建车站
• 1.2.4 建成拱形结构车站
• 1.2.5 采用复式微型盾构修建车站
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 理论与数值模拟分析
• 1.3.2 室内相似模型试验
• 1.3.3 现场试验
• 1.4 本文研究背景、内容和方法
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 第2章 配合盾构法修建地铁车站的方案研究
• 2.1 车站设计原则和技术标准
• 2.1.1 车站基本情况
• 2.1.2 设计原则和技术标准
• 2.2 车站扩挖施工方案及主体结构型式
• 2.3 典型扩挖施作步骤
• 2.4 方案比选
• 2.5 特殊管片及支护结构体系的开发
• 2.5.1 三连拱结构车站
• 2.5.2 两连拱结构车站
• 2.6 本章小结
• 第3章 车站主体结构设计计算方法
• 3.1 地下结构设计计算方法
• 3.1.1 地下结构设计方法
• 3.1.2 地下结构设计计算方法
• 3.2 荷载—结构模型数值模拟
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 单元刚度矩阵的建立
• 3.2.3 等效节点荷载计算
• 3.2.4 地层弹簧拉压判别
• 3.3 盾构隧道和车站主体结构力学模型
• 3.3.1 盾构隧道管片衬砌结构力学模型
• 3.3.2 地铁车站主体结构力学模型
• 3.3.3 考虑剪切变形的直梁和曲梁单元
• 3.4 三连拱车站主体结构力学模型
• 3.4.1 三连拱车站主体结构力学模型简图
• 3.4.2 直梁—弹簧模型
• 3.4.3 曲梁—弹簧模型
• 3.4.4 两种模型的一致性
• 3.5 两连拱车站主体结构力学模型
• 3.5.1 两连拱车站主体结构力学模型简图
• 3.5.2 直梁模型
• 3.5.3 曲梁模型
• 3.5.4 中墙与二衬相互作用模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 车站主体结构合理形状及主要参数研究
• 4.1 围岩参数与车站主体结构基本参数
• 4.2 作用于结构上的荷载
• 4.2.1 荷载分类
• 4.2.2 主要荷载计算方法
• 4.3 盾构隧道管片衬砌结构参数研究
• 4.3.1 有限元模型参数取值
• 4.3.2 梁单元大小研究
• 4.3.3 管片衬砌结构参数研究
• 4.3.4 基于变形的等效刚度研究
• 4.4三连拱车站结构合理形状及主要参数研究
• 4.4.1 结构参数调整及计算系列
• 4.4.2 车站结构内力和变形分析
• 4.4.3 车站结构合理形状及主要参数研究
• 4.5 两连拱车站结构合理形状及主要参数研究
• 4.5.1 结构参数调整及计算系列
• 4.5.2 车站结构内力和变形分析
• 4.5.3 车站结构合理形状及主要参数研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 配合盾构法修建地铁车站的相似模型试验
• 5.1 相似关系推导
• 5.1.1 相似第一定理
• 5.1.2 相似第二定理
• 5.2 模型试验相似关系的确定
• 5.2.1 试验原型
• 5.2.2 相似比的确定
• 5.2.3 相似模型材料
• 5.3 相似模型试验概况
• 5.3.1 试验装置
• 5.3.2 量测内容
• 5.3.3 试验步骤
• 5.4 试验结果分析
• 5.4.1 地表地中位移随开挖过程变化
• 5.4.2 地表沉降槽宽度和最大量值
• 5.4.3 合理扩挖方案及加固措施
• 5.4.4 作用于结构上的荷载量值
• 5.4.5 车站主体结构内力分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 车站扩挖施工全过程数值模拟分析
• 6.1 有限差分数值模拟分析原理
• 6.1.1 有限差分方程
• 6.1.2 有限差分求解步骤
• 6.2 Morh-Coulomb塑性模型
• 6.3 车站扩挖施工二维数值模拟概述
• 6.3.1 盾构法与普通暗挖法隧道施工数值模拟现状
• 6.3.2 盾构隧道施工过程数值模拟考虑
• 6.3.3 模型建立
• 6.3.4 数值模拟系列
• 6.4 车站扩挖施工二维数值模拟结果分析
• 6.4.1 扩挖施工对地表环境的影响
• 6.4.2 车站合理扩挖施工方案及加固措施
• 6.4.3 扩挖引起的地层应力动态变化过程分析
• 6.4.4 车站扩挖施工引起管片衬砌结构应力变化
• 6.4.5 车站主体结构受力特征分析
• 6.5 车站扩挖施工三维数值模拟
• 6.5.1 有限差分三维模型建立
• 6.5.2 扩挖引起的地层位移场变化
• 6.5.3 地表沉降槽宽度及最大量值
• 6.5.4 扩挖引起的地层应力场变化
• 6.5.5 扩挖引起的管片衬砌结构应力变化
• 6.5.6 扩挖引起的车站主体结构力学特征分析
• 6.6 数值模拟与模型试验结果对比分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间参加的科研情况
• 攻读博士期间科研项目鉴定及获奖情况