硬岩地层城市隧道近接高层建筑施工的影响分区研究

This application will carry out a study on influence partition of tunnel constructed approaching to existing high-rise building in urban with hard rock stratum, by using methods of theoretical analysis, numerical analysis and model test. The essential reason for influence of underground engineering adjacent construction is the stress redistribution of surrounding rock caused by new construction, consequently a series of mechanical behaviors have been changed. The corresponding mechanical model will be established to analyze the mechanical mechanism and possible failure modes of tunnel constructed approaching to existing high-rise building in hard rock stratum. On this basis, a large number of cases will be calculated using numerical simulation by considering following influence factors, parameters of surrounding rock, tunnel dimension, high-rise building size, geometric adjacent degree, stress release rate of surrounding rock by excavation and support. Then according to a certain criterion and threshold, with using mathematical statistics method to deal with the calculation results, it will be preliminarily established that the influence partition which contains strong influence region, weak influence region and non-influence region. Then model test will be carried out to improve this influence partition and the corresponding expression, also with some in-situ data obtained in the past. Finally the countermeasures for engineerings in influence region will be studied. The achievements may enrich and develop tunnel mechanics theory, provide guidance for design and construction of related projects, and also provide theoretical and technological support for establishment of standards and guidelines in the future.

通过理论分析、数值模拟、室内模型试验等方法，对硬岩地层城市隧道近接既有高层建筑施工的影响分区进行研究。地下工程近接施工影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化。通过建立相应的力学模型分析硬岩隧道近接高层建筑施工的力学机理以及可能的破坏模式，在此基础上，考虑诸多影响因素，如地层条件，隧道尺寸，高层建筑体量，几何近接度，围岩的应力释放率等，进行多工况数值模拟计算，再根据一定的判别准则及其阈值，结合数理统计方法，初步建立硬岩隧道近接高层建筑施工的强、弱、无影响分区标准。然后通过模型试验进行有限工况的物理模拟，同时辅以既有的现场数据，修正完善该影响分区标准及相应的表达式。最后研究讨论工程处于受影响范围内的对策。本研究成果将有助于丰富和发展隧道力学理论，为相关工程的设计与施工提供指导，也为今后规范标准和指南等的编制提供理论和技术支撑。

从城市建设格局来讲，往往是地面建设发展到相当规模后，才开始开发利用地下空间，这就造成了城市隧道邻近建筑物施工的问题突出。尽管目前已有相关规范、指南对这类近接问题给出不同影响程度的分区方法，但是针对硬岩地层具有一定的局限性。如目前规范认为建筑物基础底下需要采取措施范围（即本研究所称强影响区）是不闭合的，偏于保守；且分区仅与单个指标（建筑基础宽度B）挂钩，而未考虑新建隧道尺寸D的影响等等。本研究在此背景下，通过理论分析、数值模拟、室内模型试验等方法，对硬岩地层城市隧道近接既有高层建筑施工的影响分区进行研究。.首先通过理论分析和数值模拟手段，分别对单一隧道洞室开挖后的应力重分布特征、高层建筑等效荷载作用下的地基附加应力分布规律、以及在高层建筑地基中开挖隧道的力学变异等进行剖析；并从数值模拟方法、基于强度折减的模型试验、基于荷载增加的模型试验等方面论述了隧道与高层建筑不同相对尺度、不同净距下的破坏模式。.在通过模型试验验证数值模拟强度折减方法可行、有效的基础上，改变隧道和高层建筑等效荷载作用面的相对位置、相对尺度,以及隧道开挖释放率，进行了大量工况的隧道近接高层建筑施工有限差分强度折减计算。计算结果显示：随着隧道与高层建筑的净距增大，0°方向（水平方向）安全系数逐渐增大，而后趋于定值；其余方向安全系数表现为先增大后减小的规律。隧道与高层建筑的相对尺度（D/B）对0°方向安全系数影响不明显，在90°方向（竖直方向）相对尺度（D/B）越小，受影响范围越大。隧道开挖释放率对安全系数的影响总体上近似为线性关系。以不考虑高层建筑的不同埋深单一洞室安全系数为参考基准值，定义不考虑高层建筑与考虑高层建筑的安全系数增量趋于稳定或者趋于较小值（理论上趋于0）为弱、无影响分区的分界；0°方向取弱、无影响分区分界的一半、其余方向取安全系数达到峰值作为强、弱影响分区的分界，并给出了相关表达式，建立了由椭圆弧和直线段组成的硬岩地层隧道近接高层建筑施工的强、弱、无影响分区标准图。.最后，基于强、弱、无影响分区提出三个等级的对策分级，体现在保证工程安全的前提下提高经济性的原则。并基于隧道、高层建筑、夹岩三个不同的工程对象提出了若干可行的对策建议。.本研究成果有助于丰富和发展隧道力学理论，可为相关工程的设计与施工提供指导，亦可为今后规范标准和指南等的编制提供理论和技术支撑。