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浅埋暗挖隧道位移反演分析在北京地铁四号线应用中存在问题建议
浅埋暗挖隧道位移反演分析在北京地铁四号线应用中存在问题建议
摘要: 依据施工现场实测的应力、应变、位移等信息,反演确定地层的初始地应力及地层特性参数,据此对隧道及地下结构进行设计计算或校核检验,为确定围岩的支护形式、合理的支护时间和合理的结构设计提供便利与依据.
关键词:反演理论; 隧道及地下工程; 施工; 应用
中图分类号:TV651.3 文献标志码:A
自1987年北京地铁首次采用暗挖法建成了复兴门车站折返线工程以后,“隧道及地铁浅埋暗挖工法”由于其灵活多变、适用复杂多变的地层及隧道断面结构、设备简单、不干扰交通及周边环境等众多优点,已在全国广泛推广应用。浅埋暗挖施工强调“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的施工原则,在施工中特别注重测量数据的反馈,指导后续施工,确保地铁施工对周边环境的环保和安全要求。
北京地铁4号线全长28千米,共设24座车站,以丰台区的公益西桥站为起点,终止于大兴区的安河桥北站,连接北京南站、西单、动物园、中关村等重要交通枢纽、商业区,是北京南北交通的主动脉之一。为之,联合风险评估单位、施工单位,研究建立依据现场量测信息反演确定地层有关参数值,进而正算预测后续施工变形的反演分析势在必行。基于以上的考虑,论文结合北京地铁四号线暗挖法隧道施工实际,详细探讨反演理论在浅埋暗挖隧道工程施工中的应用,以期指导四号线浅埋暗挖法隧道施工,确保周边建(构)筑物的安全。
1隧道工程问题反演理论概述
由于隧道围岩条件的复杂性和不可预见性,使得隧道地层工程材料性状参数的确定问题一直是人们定量分析这一工程领域中的各种行为、现象的主要障碍。基于现场变形量测的位移反演分析法成了解决这一问题的有效手段。根据量测信息的类型,反演分析问题可分为位移反分析法,应变反分析法和应力反分析法三类。在隧道和地下工程中,由于位移测量方便、精度高,位移反分析是其最为常用的反分析方法。北京地铁四号线即采用位移反分析法。
反演分析方法有正反分析法和逆反分析法之分,两者的主要不同点在于求解??程不一致。逆反分析法是依据矩阵求逆原理建立反演计算法,在待求未知量和现场量测信息之间直接建立关系式,通过求解依据矩阵求逆原理建立的方程组得出结果。这类方法程序编制方便、计算方法灵活、适应性强,目前应用较为广泛。为之,北京地铁四号线推荐采用位移反分析正算分析法。
2位移反演理论研究的目标未知数
在力学范畴内,隧道工程位移反演理论属于正演理论的反问题。与正演分析理论的研究方法相同,建立求解这类问题的方法时也需预先确定基本未知数,然后建立求解基本未知数的方程组。隧道与地下工程反演理论的目标未知数主要有初始地应力、结构荷载和围岩或地层材料特性参数三类。
2.1初始地层应力(原始应力)
初始地层应力(原始应力)是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。产生地应力的原因十分复杂,至今尚不十分清楚。通过多年来的工程实测和理论分析表明,地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关,其中包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入或其它物理化学等也可引起相应的应力场。其中,构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分。通过理论研究、地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究,已经初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律。
就北京地铁四号线而言,由于隧址区为第四纪新近沉积物,其地应力以自重应力为主,即为自重应力场。由地心引力引起的应力场称为重力应力场,它是各种应力场中唯一能够计算的应力场,即 G= H,式中 为上覆岩层的容重,H为深度。因此,原始地应力根据埋深即可相对准确确定,无需反演计算。
2.2 衬砌结构荷载
作用在隧道和地下结构上的荷载有多种,隧道反演分析主要是分析在与地层接触面上支护结构承受的荷载,即地层压力。70年代以前,人们普遍认为这类荷载主要由开挖后地层中出现的松散体引起,并常在岩石隧道的设计中将其称为山体压力或山岩压力。70年代起,随着岩土介质的受力变形性态随时间而变化的特点逐渐被认识,人们开始接受形变压力的概念,即认为地层压力主要是支护结构在与地层连成一体共同发生变形的过程中接受的荷载。同时,也是支护与围岩相互作用、行变压力随时间增长等的原因。因此,评价隧道稳定性时必须考虑地层压力和变形随时间变化的流变特性。
2.3地层材料特性参数
地层材料特性参数的种类和个数与地层材料在受力变形时显现的性态有关。处于弹性受力时,地层的特性参数为弹模E和泊松比μ,处于弹塑性受力状态时,则需增加内聚力C和内摩擦角φ,处于粘弹性受力状态时,用于描述材料受力后发生的变形随时间而变化的参数与选用的模型有关。同时,土层参数中泊松比μ测定相对而
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