基于响应面法的双线盾构下穿既有铁路路基变形规律研究

作     者：夏一凡 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王秀英

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：双线盾构隧道 下穿既有铁路 数值模拟 可靠度 风险评估 

摘      要：铁路网路与地铁线路在城市中纵横交错,隧道下穿既有铁路已经成了一类典型工程。在此类工程中,铁路为了保证线路高平顺,高稳定,通常以路基变形为控制标准,严格控制沉降。本文以北京地铁16号线18标段双线盾构隧道下穿京九铁路为研究背景,采用理论分析和数值模拟探究了不同因素对路基沉降的影响规律。同时采用响应面法拟合不同工况下的路基正常使用极限状态功能函数,结合一次二阶矩法求解各工况对应的可靠指标b,并利用灰色关联度对各影响因素进行敏感性分析。最后结合层次分析法和模糊综合评价法,建立了双线盾构下穿铁路的风险评估模型,依据工程设计参数对北京地铁16号线18标段双线盾构隧道下穿京九铁路进行风险评估,并提出相应地层控制措施。主要结论如下:（1）以软硬交互地层中盾构下穿铁路为研究背景,通过文献调研,总结出双线盾构隧道施工引起的地层变形主要取决于软岩性质和软岩在岩层中的占比。而就盾构法施工本身来说,影响地层变形的主要因素则是盾构掘进参数、隧道埋深、隧道间距和开挖面间距等。利用Midas GTS NX建立了盾构下穿既有铁路的三维数值模型,对不同工况下盾构隧道开挖引起的地表和路基变形规律进行了分析,提出在设计阶段应当选择合理埋深和间距,在施工阶段应当控制掘进参数以达到控制地表和路基变形的目的。（2）考虑粉土地层的内摩擦角φ和弹性模量E的随机性,分别建立不同隧道间距、注浆压力和土舱压力的数值模型,利用响应面法拟合出不同工况下路基正常使用极限状态函数,结合一次二阶矩法求解各工况下的可靠指标b和失效概率P_f,统计其规律发现与影响因素确定性分析的规律趋势相同。利用灰色关联度对对影响因素进行敏感性分析,得出其顺序为隧道间距S内摩擦角φ土舱压力F注浆压力P弹性模量E。（3）通过调研大量文献对双线盾构隧道下穿铁路进行风险辨识,将路基变形超限风险条件分为三个方面:地质条件、隧道设计和掘进设计参数,其下层又细分为11个指标。采用层次分析法确定各因素对路基变形超限的影响权重,结合模糊综合评价法建立风险评估模型,并对北京地铁16号线18标段进行风险评估,判断工程风险等级为中风险。（4）基于本文的风险评估结果,从掘进参数、同步注浆及二次注浆和路基加固三个方面提出路基沉降控制措施,并通过现场监测数据和数值模拟结果对比,得出路基沉降控制措施有显著成效。