浅埋隧道开挖与既有建筑基础荷载相互影响的模型试验和理论计算研究

通过模型试验、理论分析及数值模拟,研究了浅埋隧道开挖与既有建筑基础荷载的相互作用,具体的研究内容和主要成果如下： (1)建立了平面应变模型试验系统,其中包括地层模型、桩基荷载模型、箱基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型,以及桩基荷载或箱基荷载、地层压力、地层沉降、隧道支护应变的量测装置。①进行了一系列地层损失模型试验,分析了地表最大沉降位移及沉降槽宽度参数与地中最大沉降位移及沉降槽宽度参数的函数关系；②针对不同水平、竖直位置的既有桩基荷载进行了一系列隧道开挖模型试验及数值模拟,分析了既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖引起地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征,结果表明：对于桩径和水平相对距离都相同但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深相同时,对隧道开挖效应影响最大；对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对隧道开挖效应的影响程度随桩基中心与隧道轴线水平距离的减小而增大;当桩基中心与隧道轴线水平距离和隧道直径比值介于0.5-4时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大；③针对不同水平、竖向位置的既有箱基荷载进行了一系列隧道开挖模型试验及数值模拟,结果表明：水平距离、箱基荷载都相同但埋深不同的箱基,对隧道开挖效应的影响程度随着箱基埋深的增加而增大,当箱底埋置深度超过隧道拱顶时,对隧道开挖效应的影响程度随箱基埋深的增加而减小；箱基埋置深度相同但水平距离不同,对隧道开挖效应的影响程度随箱基边缘与隧道轴线水平距离的减小而增大,当箱基边缘与隧道轴线水平距离和隧道直径比值介于0.5-4.0时,箱基荷载对隧道开挖效应的影响较大； (2)建立了地层损失的时间函数模型,结合萨格塞塔解,给出了预测浅埋隧道开挖引起地表沉降随时间及施工参数变化的数学表达式,通过等效简化模型,推导了隧道全断面开挖、台阶法开挖及其它分部开挖引起地层位移的解析表达式,计算分析了自由地层及承载地层开挖速度、台阶间距、施工工序及地表沉降速度系数对地表沉降的影响特征； (3)提出了建筑基础荷载地层承载区的概念,推导了桩基荷载和箱基荷载地层的位移场；应用沃卢杰-布克位移解,分析了隧道开挖对桩基或箱基地层承载区的影响；通过数值模拟,分析了隧道中心与建筑基础荷载的水平距离、隧道埋深、隧道开挖半径及隧道开挖进度对建筑基础地层承载区的影响特征,结果表明：通过改变隧道施工参数,建筑基础地层承载区的形状与范围在隧道的开挖方向、水平方向及竖直方向都有不同程度的变化。而这些变化规律的得出,将对隧道的设计与施工具有指导意义。