承载地层中隧道开挖影响分区与支护荷载分布的力学机制和计算模型研究

在承受附加荷载的地层中开挖隧道是城市地下空间开发过程中的一种常见情况。隧道开挖会引起地层位移，使邻近建筑基础及上部结构出现附加应力和变形，而地表或地下的既有结构物作为地层的附加刚度和附加荷载，也会影响邻近的隧道开挖与支护。为了隧道施工安全和保护既有建筑环境，必须在隧道开挖影响分析与支护荷载计算的基础上,制定和实行合理的控制与支护措施。现有隧道开挖影响理论与支护荷载计算方法均以自由地层为前提假设，没有反映承载地层中隧道开挖和支护的特殊问题。项目的研究目标是：结合工程案例，通过模型实验、理论分析和数值模拟，研究（1）建筑基础荷载的作用特征及其对隧道开挖和支护的影响方式和分类，（2）不同类型承载地层中隧道开挖影响分区与支护荷载分布的力学机制、概念模型和计算方法。研究成果可以为承载地层中隧道开挖影响评估与控制和支护设计提供具有明确针对性的分析方法，补充现有隧道力学理论，减少工程实践中的盲目性。

主要取得了以下三个方面的成果：1）提出了一个预测承载地层浅埋隧道开挖二次应力与潜在弹-塑性分区的理论模型和计算方法；2）分析了不同基础荷载的作用特征及其对浅埋隧道开挖影响的方式和分类，并提出了一种预测邻近桩基荷载对浅埋隧道开挖二次应力与潜在弹-塑性分区影响的理论模型和计算方法；3）建立了包括地层模型、箱基荷载模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型，以及箱基荷载、桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的（垂直于隧道开挖方向的）平面应变模型试验系统，实施了几种不同地层损失率的自由地层浅埋隧道开挖模型试验、箱基承载地层浅埋隧道开挖模型试验、桩基承载地层浅埋隧道开挖模型试验，研究了不同水平相对位置、竖向相对位置的箱基荷载或桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。这些研究成果基本上达到了项目的预期研究目标：模型试验比较全面、真实地模拟了既有建筑基础荷载对邻近浅埋隧道开挖效应的影响过程和基本特征，理论模型和计算方法可以便捷地预测承载地层浅埋隧道开挖二次应力与潜在的弹-塑性分区。