邻域土体卸荷-加载作用下现役地铁盾构隧道灾变机理研究

In the 21st century, with the rapid development of urban subway construction in China，the rail transit network are densely distributed in the urban central area and continuously expands. Various commercial buildings, public buildings, residential buildings and transport facilities are built along the subway line. It is a very common phenomenon that the building excavation is excavated around the existing subway tunnel. The excavation of building foundation pit and the construction of structure cause complex unloading-loading process, inevitably acting on the subway tunnel structure, and lead to deformation or even disasters. However, due to the complexity of the unloading-loading modes, the related theory of evaluation calculation and the technology of construction protection have been unable to meet the needs of engineering construction, so it is an urgent scientific problem. Therefore，aiming at the subway shield tunnel, this project studies the complex types of unloading-loading modes of the nearby soil and its impact on the existing subway shield tunnel and the stress path (state) of the surrounding soil in detail, by the theoretical analysis of elastic-plastic, numerical simulation and large-scale model test of similar material. On the base of it, this project seeks the accurate method of deformation calculation for the shield tunnel structure and the surrounding soil, and explores the deformation regularity and the prevention or control measures for the existing subway shield tunnel, and provides the theoretical foundation and scientific basis for the excavation engineering design and disaster prevention and mitigation, which near the existing subway shield tunnel.

进入21世纪，中国城市地铁建设发展迅速，轨道交通网络密布于城市的中心区域，并不断扩展。各类商业、公共、住宅、交通等建筑紧邻地铁沿线集中建设，在现役地铁隧道邻域常出现建筑基坑工程，基坑开挖及随后的建筑物建造，形成复杂的卸荷-加载过程，不可避免地作用于地铁隧道结构，产生变形，甚至造成灾害。但由于卸荷-加载作用模式的复杂性，相关的评价计算理论和施工保护技术已无法满足工程建设的需要，是当前迫切需要解决的科学技术难题。因此，本项目针对最常见的地铁盾构隧道，采用弹塑性理论、数值模拟、大型相似材料模型试验等方法，详细研究隧道邻域土体复杂的卸荷-加载作用模式类型，以及不同卸荷-加载作用模式对现役地铁盾构隧道及周边土体产生的应力路径（状态）的影响。据此，寻求较为精确的隧道结构及周边土体形变计算与评价方法，探索现役隧道灾变规律及防控措施等，为现役地铁盾构隧道邻域基坑工程设计和防灾减灾提供理论基础和科学依据。

进入21世纪，中国城市地铁建设的步伐逐渐加快，轨道交通网络密布于城市的中心区域，并不断扩展。各类商业、公共、住宅、交通等建筑紧邻地铁沿线集中建设，在现役地铁隧道邻域常出现建筑基坑工程，基坑开挖及随后的建筑物建造，形成复杂的卸荷-加载过程，不可避免地作用于地铁隧道结构，产生变形，甚至造成灾害。但由于卸荷-加载作用模式的复杂性，相关的评价计算理论和施工保护技术已无法满足工程建设的需要，是当前迫切需要解决的科学技术难题。本项目针对最常见的地铁盾构隧道，依托典型工程，采用案例调查、弹塑性理论分析、三维数值模拟、大型相似材料模试验等方法，详细研究了邻域建筑基坑卸荷-加载作用下现役地铁盾构隧道的变形特征、灾变机理与防控对策，取得了六方面的研究成果。主要包括：提出了隧道邻域建筑基坑复杂的卸荷-加载作用模式类型；分析了邻域卸荷—加载作用下隧道围土应力路径演变规律；揭示了邻域基坑卸荷—加载作用下隧道围土压力规律及特征；揭示了邻域基坑卸荷-加载作用下盾构隧道变形特征及其力学机理；提出了考虑应力路径影响的盾构隧道形变计算与评估方法；探索了邻域土体卸荷—加载作用下现役隧道灾变防控措施。项目取得了较多的研究成果，在实施过程中，发表学术论文17篇，授权发明专利8项，授权实用新型专利1项，申请发明专利3项，培养硕士、博士研究生4名。部分科研成果在实际工程得到应用，为现役地铁盾构隧道邻域基坑工程设计与施工方案的优化，以及地下工程的防灾减灾提供了理论基础和科学依据，成果的应用取得了良好的经济、社会效益。