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重叠曲线盾构隧道引起的地面和现有隧道变形分析
Deformation analysis of ground and existing tunnel induced by overlapped curved shield tunneling
1. 主要摘要
本文利用镜像理论、Mindlin解和Euler-Bernoulli-Pasternak模型推导了重叠曲线盾构隧道引起的地面和现有隧道的变形解析解，并通过有限元模拟和现场监测进行了验证。研究发现，相比于直线盾构隧道，曲线盾构隧道中的超挖对地面沉降有显著影响，纵向沉降可分为五个区域，隧道表面附近的沉降变化最为剧烈。此外，现有隧道的变形对转弯半径最为敏感，尤其当转弯半径小于隧道直径的30倍时，现有隧道的变形最为显著。研究还提出了一种优化的超挖模式，通过控制超挖刀具的伸展速度和角速度，有效减小了地面变形，确保了施工过程中的隧道保护。
2. 引言
随着城市地下空间的广泛开发，隧道建设需要绕过现有障碍物，如桩基、地下设施等，这导致了曲线盾构隧道的广泛应用。曲线盾构隧道施工带来的地面变形与直线隧道存在显著差异，尤其是在地面损失方面。尽管已有研究探讨了直线盾构隧道对地面和结构的影响，但对于曲线盾构隧道的研究仍然有限。本文通过理论推导和数值模拟，分析了曲线盾构隧道施工引起的地面和现有隧道的变形行为，并提出了优化的超挖模式以减少施工引起的地面和隧道变形。
3. 主要内容
1.理论模型与假设：本文采用镜像理论和Mindlin解推导了曲线盾构隧道施工引起的地面变形解析解，考虑了施工负荷和地面损失的影响。地面被视为半无限弹性体，忽略了土壤的塑性变形和蠕变。通过Pasternak弹性基础模型，模拟了现有隧道在地面变形作用下的响应，并使用两阶段分析法计算现有隧道的变形。
2.数值模拟与验证：采用有限元方法对解析解进行验证，模拟了不同施工条件下的重叠曲线盾构隧道。通过现场监测数据，验证了数值模型和理论解的可靠性。结果表明，曲线盾构隧道引起的地面沉降约为直线盾构隧道的2.4倍，且由于超挖的存在，沉降槽呈现明显的不对称分布。现有隧道由于重叠施工而发生上拱变形，当转弯半径小于隧道直径的30倍时，现有隧道的变形变得显著。
3.施工条件对变形的影响：研究表明，隧道间距和注浆压力对地面变形的影响较小，而转弯半径对地面变形有显著影响。当转弯半径小于隧道直径的30倍时，地面变形显著增加。此外，超挖模式也会影响地面变形，优化的超挖模式可以有效减少9.7%的地面变形和22.9%的偏差。
4. 主要结论
本文研究了重叠曲线盾构隧道施工引起的地面和现有隧道变形特征，推导了相关解析解并通过数值模拟进行了验证。研究表明，转弯半径和超挖模式对地面和隧道变形有显著影响，优化的超挖模式能够有效减少地面变形。
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
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一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
