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西安地铁盾构施工是我国首次在西部黄土地区修建地铁,盾构施工诱发的地表沉降规律及其控制技术研究是西安地铁隧道施工过程中的关键技术问题之一。开展西安黄土地区区间隧道盾构施工过程中的地表沉降规律及其附近古建筑物在施工过程中的变形控制问题具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文以现场实验、室内试验、理论分析、数值模拟、工程实践相结合的手段深入研究了西安黄土地层盾构施工引起地表沉降的特性,提出了盾构穿越钟楼时的技术保护措施。主要工作和结论是: (1)研究了施工方法、地层条件、埋深、地层损失等因素对盾构施工诱发地表沉降的影响规律,提出了西安地铁盾构施工中引起地表沉降的主要因素,分析了黄土地区地铁盾构施工引起地表沉降的机理。 (2)首次采用旁压仪进行黄土地区地铁的土层力学参数现场原位试验,获取了地基承载力、旁压模量、变形模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角等土层的基础性力学指标,为盾构穿越钟楼的FLAC数值模拟计算提供了可靠的计算参数。 (3)完成了钟楼到南门区间隧道地表沉降规律现场实测研究,分析了该区间隧道盾构施工引起的地表沉降实测数据,得出了Peck公式的修正表达式,根据修正后的表达式进行了地表沉降预测。结果表明,西安地铁盾构施工Peck公式中的沉降槽宽度系数为七:0.420~0.440,地层损失率应根据不同的地层情况和施工参数进行确定,一般情况下取77=0.7~2.0％是合理的。给出的修正的Peck经验公式可用于预测西安地区地铁区间隧道盾构施工引起的地表沉降。 (4)利用明德林(Mindlin)解研究了盾构施工参数对地表三维沉降的影响规律,对黄土地层地铁区间隧道盾构施工引起的地表沉降规律进行预测研究,主要研究了正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力、盾尾间隙、隧道埋深对地表沉降的影响规律。运用考虑地层损失系数的Loganathan和Poulos的计算方法对地表沿x、z两个方向变形进行研究,研究隧道埋深、地层损失率对地表变形的影响规律。 (5)利用FLAC软件完成了地铁盾构隧道施工时对钟楼的变形影响规律研究。经过加固与未加固钟楼基础两种工况的对比模拟分析,对盾构施工引起的地表变形及钟楼的基础变形进行了预测研究并完成了现场监测工作,实测沉降曲线与预测沉降曲线趋势基本一致。工程实践表明提出的钟楼基础加固方案是有效的。研究成果对西安地铁盾构施工穿越其它古建筑时可提供参考。