新建地铁下穿既有地铁的力学响应及安全控制

With the development of subway construction in China, there will be more subway tunnels excavated adjacent to existing subway lines. When excavating a new subway tunnel closely beneath an existing subway tunnel, it will be more challenging in making appropriate standards for the safety of the existing subway and in the design of the new subway. In this research, the mechanical responses due to new subway construction beneath an existing subway is highlighted. A constitutive model is set up to describe the contact behaviour between existing subway structure and its surrounding soils. With the help of the proposed contact model, numerical simulations are performed to investigate the mechanical responses of the soil, the soil-structure interface and the existing subway structure. In order to study the load, which is partially undertaken by the existing subway structure, applied on the new subway structure, a mechanical model is proposed to study the load effects of the new subway structure. And attentions are particularly focused on the stiffness of the existing subway structure. The mechanical behaviour of the existing subway structure has been degraded from its design condition. In order to describe its current condition, an evaluation system is proposed to assess and classify the degradation of the existing subway structure. The risk control standards for the existing subway structure can therefore be determined by considering both its current condition and its operational requirements. By using the proposed mechanical analysis model and the risk control standards, the process control of the risk of the existing subway structure can be achieved.

随着我国地铁建设的发展，新建地铁穿越既有地铁工程将大规模出现，其中新建地铁下穿既有地铁工程难度最大，目前这类工程在既有地铁安全标准的制定和新建地铁的结构设计等方面存在一系列问题有待深入研究。本项目研究围绕新建地铁下穿既有地铁的力学响应及安全控制展开：针对既有结构与土体在复杂应力状态和复杂加载条件下的相互作用特点，建立考虑土结作用关系的数值分析模型，研究新建地铁施工影响下土体、土体与结构界面以及既有结构的变形特性和破坏特性；针对既有结构对新建结构荷载的阻隔效应，分析既有结构刚度等对新建结构荷载效应的影响，进而提出新建地铁结构荷载的计算方法；针对既有地铁结构存在劣化损伤的特点，建立既有地铁的损伤评价指标体系及其现状分级方法，综合考虑既有地铁的结构损伤现状和运营要求，提出既有地铁的控制指标和控制标准；通过建立的力学响应分析预测模型和安全标准制定方法实现对地铁下穿既有线工程施工风险的全过程控制。

随着我国新建地铁穿越既有地铁工程的大量涌现，新建地铁下穿既有地铁工程已成为难度最大的控制性工程，而这类工程在安全标准制定和结构设计等方面尚存一系列问题需要深入研究。本项目紧密围绕下穿既有地铁的力学响应及安全控制等问题，针对既有地铁与土体的复杂接触关系，研究分析土体细观参数对宏观力学参数的影响规律，建立了三维离散-连续（FDM-PFC）耦合方法，对下穿既有地铁工程进行精细化数值模拟分析。通过离心模型试验，研究新建地铁、土体、既有地铁的力学响应及其动态演化规律，指出：纵向螺栓接头、变形缝等部位对既有地铁的力学行为存在重要影响，首次尝试对既有地铁的薄弱部位进行模拟试验，推动了相关领域在既有地铁局部力学行为的深入研究。同时，考虑施工扰动引起地基系数非线性变化，提出密贴下穿、近距离下穿既有地铁力学响应计算方法；考虑纵向螺栓接头对既有盾构隧道力学行为的影响，提出既有盾构隧道不连续变形的计算方法；考虑不同施工阶段对既有地铁力学响应的影响，提出注浆加固-注浆抬升-既有地铁变形时空特征曲线。上述理论解析方法为解决实际工程问题提供了全新的求解思路，计算简单，可操作性强，成功应用于下穿基础设施工程中的第三方监测、检测及评估服务等，具有广阔的应用前景。此外，本项目统计分析北京地区大量下穿既有线工程案例，提出新建地铁-土体-既有地铁，多体系间的相互作用模型，以此构建了全过程的安全控制指标，并建立了钢轨-道床-隧道耦合模型，制定了满足列车运营安全和舒适性要求的既有地铁沉降控制标准。此项成果具有国际领先水平，推动了考虑环境因素控制标准的制定。