城市隧道施工作用下建筑物的动态响应机制及其控制标准研究

The impact on existing ground buildings due to urban tunnel construction is one of the core issues of the safety control of urban underground engineering. This problem is also the key problem to be studied. Aimed at the essence of dynamic impact on buildings during tunnelling, based on the selected typical soils and building types, the characteristics of dynamic interaction between soil and building is firstly analyzed, and the mechanical properties of the contact interface of soil and building foundation is studied through theoretical and experimental analysis. Correspondingly, the various interaction modes and their mechanical models between soil and structure are proposed. Thereby a quantified method to descript the multivariate dynamic evolution process when tunneling under buildings can be attained. On this basis, the force features and failure modes of the upper building structure are then analyzed, and the formation conditions and the criterion of building damage accidents during tunnel construction are achieved by revealing failure mechanism of structure. As a result, a scientific and rational system of deformation control indexes of building is established, and the determination method of deformation control standard is put forward as well, which can supply help and guide for reliable prediction and forecasting of safety incidents. All the above study has important practical and theoretical value in improving the security of urban underground project construction, as well as in developing basic theoretical research on urban underground engineering.

城市隧道施工对既有地面建筑物的影响是城市地下工程安全性控制的核心问题之一，也是研究的重点。本项目拟从隧道施工对建筑物产生动态影响的本质出发，籍助理论分析、室内试验、数值仿真和现场观测等多种研究手段，选取典型土体条件和建筑物类型，基于土体与建筑物的动态相互作用特征分析，对土体与建筑物基础接触界面力学特性进行理论分析及试验研究，提炼出不同模式并建立相应的力学模型，对建筑物受隧道施工影响的多因素的动态演化过程提出量化的描述方法；对建筑物上部结构受力特征及破坏模式进行分析，揭示结构失效机制，获得隧道穿越施工时建筑物破坏安全事故的形成条件和判别准则，进而建立科学合理的变形控制指标体系并提出控制标准的确定方法，以实现对安全事故的可靠预测和预报。本研究对提高我国城市地下工程建设的安全性，以及发展城市地下工程的基础理论研究具有重要的现实意义和理论价值。

近年来，我国城市地铁隧道工程建设发展快速，城市环境下的隧道修建不可避免会邻近各类既有地面建筑物及地下结构施工，由此造成的结构变形、破坏甚至失效事故时有发生，造成了严重的经济损失和社会影响。在此背景下，对城市隧道施工作用下建筑物的动态响应机制及其变形控制标准的研究具有重要的现实意义。本项目综合采用模型试验、数值模拟和理论分析等研究手段，提出了城市地层细观结构的基本形式及其结构模型，建立了隧道下穿施工中隧道-土体-既有建构筑物动态相互作用体系，揭示了该体系在隧道施工扰动下的动态响应机制，为建筑物结构破坏风险的科学防控提供重要的理论支撑。主要研究成果如下：（1）提出了城市地层细观结构的梁式、拱式和洞式3种结构形式，揭示了相应的破坏机制和失稳模式，建立了细观结构地层变形效应的分析模型；（2）对城市软弱围岩浅埋隧道塌方特征及其演化规律开展了室内模型试验研究，结果表明，浅埋隧道塌方具有渐进性破坏特点，塌方过程中地层可能出现短时稳定的塌落拱，其形状可用二次抛物线进行拟合，浅埋隧道的地表破裂先于隧道周边围岩发生，地表塌陷发生前伴随着明显的地表裂缝出现，且地表裂缝随着围岩破坏的发展逐渐向地层深部延伸，且宽度增加，当其与隧道周边围岩破裂面贯通时，隧道上覆地层即发生整体失稳破坏；（3）建立了隧道-土体-建筑物动态相互作用体系，揭示了该体系在隧道施工扰动下的动态响应机制，对建筑物地基与基础相互作用模式进行了理论分析，提出了建筑物变形控制指标的选择及其控制标准值的确定方法，并基于实际工程，采用实测和数值模拟对建筑物变形开裂进行了评估，得到了地表沉降、建筑物基础沉降及结构开裂的对应关系，提出了相应的变形控制标准并进行了工程验证；（4）基于土-结接触界面力学机制，以实际工程为例，对隧道下穿既有隧道施工动态过程进行了数值模拟分析，重点分析了穿越过程中典型测点沉降发展规律、既有地下结构底板变形和纵向旋转以及管节整体沉降和纵向挠曲规律，得到了既有地下结构动态力学响应及变形演化规律。