南京地铁五号线建设对文保建筑密集老城区的影响研究

论文总字数：22863字

摘 要

随着我国经济的发展，地面交通不再能够完全负担城市的交通，一些大型城市开始了对地下空间的大规模开发利用以及轨道交通的大规模建造。出现地铁下穿老城区重点文保建筑的案例越来越多，如果处理不当可能会带来严重的后果。这就要求在进行地铁隧道规划设计和施工的时候不仅要关心隧道本身的问题，而且要考虑隧道建设的过程中对地上建筑产生的影响。可以通过数值模拟分析来验证其选线设计和处理措施是否是合理、可靠和安全的。本文使用南京地铁五号线下穿南京明城墙的案例，利用有限元软件Midas/GTS建立了盾构隧道施工过程的有限元计算模型，以此来分析盾构隧道施工对地上古建筑的影响规律，并主要做了如下工作：

1. 总结了目前国内外对地铁隧道施工过程对古建筑影响的研究现状。
2. 以南京地铁五号线下穿南京明城墙为背景，利用有限元软件Midas/GTS建立三维有限元计算模型。模拟盾构隧道施工的全过程对周围土层和地铁隧道上明城墙的影响规律。数值模拟结果发现：
3. 按照模型中选取的土层数据，盾构掘进时对隧道顶的土体造成沉降，最大沉降值为56.2mm，对隧道底部造成隆起，最大隆起值为46.5mm。其中当隧道掘进到48m时造成的沉降量最大。
4. 盾构隧道施工推进结束后，对距离隧道中轴20米的范围内造成沉降，其中距离中轴10米范围为主沉降区，最大沉降量为8.4mm。
5. 城墙墙基由大块条石堆砌而成，极高的弹性模量似的城墙和墙基可以看做一个刚体，因此城墙和墙基的最大沉降几乎和隧道顶部土层的沉降量一样。
6. 在盾构掘进的过程中为了尽量减少对土体的扰动，保持开挖面土体的稳定，需要尽可能的保持盾构机刀盘面的土压力平衡。
7. 根据数值模拟的结果，结合目前国内外的各种研究，从明城墙自身的保护、地基处理和隧道施工提出了对被盾构隧道下穿的南京明城墙的保护措施。

关键词：盾构隧道；下穿文保建筑；沉降；有限元；数值模拟

Abstract

With the development of China’s economic, ground transportation no longer be able to fully fund the city's traffic, some large cities began a massive construction of large-scale development and utilization of underground space especially underground tunnels. When the subway passes under the old cities, may passes under some old buildings. If not good processing, it may cause some serious consequences. This requests us that we design and construction the tunnel not only care about the tunnel itself, but also consider the effect of tunnel construction to the buildings on the ground when design and construct the tunnels. So we validate the rationality and security of the subway’s line selection and construction by the numerical simulation analysis. This article uses the case that the Nanjing metro line 5 passes under the Ming city wall, made a finite element calculation model of shield tunnel process by using finite element software Midas/GTS in order to analysis the effect of shield tunnel to the ground buildings, and mainly done the following work:

1. Summarizing the current domestic and foreign research status about the effect of tunnel construction to the buildings on the ground when passing under them, putting forward the research contents and research methods of this article based on them;
2. Using the case of nanjing metro line 5 passes under Ming city wall to be the background, made a finite element calculation model of shield tunnel process by using finite element software Midas/GTS. Simulated the whole process of shield tunnel to find the influence of of it on the surrounding soil. Numerical simulation results found that:

(1) According to the soil layer data selected in the model, the shield tunneling on the tunnel roof of the soil caused by the settlement, the maximum settlement value of 56.2mm, the bottom of the tunnel caused uplift, the maximum uplift value of 46.5mm. Which caused the maximum settlement when the tunnel excavation to 48m.

(2) Shield tunnel advancing end of 20 meters distance from tunnel axis range caused by settlement, the distance axis range of 10 meters main subsidence area and the maximum settlement is 8.4mm。

(3) wall footing by the large stone stack and, like high modulus of elasticity of walls and wall can be seen as a rigid body, so wall and footing of the maximum settlement and the tunnel top soil settlement almost as.

(4) In order to minimize the disturbance to the soil and keep the stability of the excavation face, it is needed to keep the earth pressure balance of the shield machine cutter surface.

1. According to the results of numerical simulation and combining with a variety of researches, some protection measures were put forward from the Ming city wall's own protection, tunnel construction and vibration reduction three angles.

Keywords: Shield tunnel; Pass under the old buildings; The settlement; Finite element; The numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

1、 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 地铁对地面文保建筑的影响研究现状 1

1.2.2 地铁建设对地面文保建筑影响的主要研究方法现状 2

1.2.3 对地铁建设沿线的文保建筑单位保护的方法的研究现状 4

1.3 本文主要内容和研究方法 4

1.3.1 主要研究内容 4

1.3.2 研究方法 4

2、 工程概况 5

2.1 工程基本情况 5

2.2 工程建设的必要性 6

3、 五号线沿线重点文保单位调研 7

3.1 南京明城墙 7

3.1.1 南京明城墙的基础形式 7

3.1.2 南京明城墙的破坏形式和原因分析 8

3.1.3 五号线下穿城墙段墙体结构 10

4、 数值模拟原理和MIDAS/GTS介绍 12

4.1 有限单元法 12

4.1.1 有限单元法介绍 12

4.1.2 有限单元法的基本原理 12

4.1.3 弹塑性问题的本构方程 13

4.2 有限元软件 MIDAS/GTS 13

5、 五号线盾构下穿南京明城墙的数值模拟分析 15

5.1 有限元数值模型的建立 15

5.1.1 本模型选用的工程概况 15

5.1.2 MIDAS/GTS软件建模说明 15

5.1.3 土体与结构材料参数 15

5.1.4 计算模型的建立 16

5.1.5 施工阶段定义 17

5.2 数值模拟计算结果分析 17

5.2.1 隧道开挖数值模拟结果及分析 18

5.3 盾构隧道施工对城墙和墙基影响分析 20

5.4 本章小结 20

6、 对南京明城墙的保护对策 22

6.1 从明城墙墙体和墙基加固角度 22

6.1.1 对明城墙外部进行加固 22

6.1.2 对明城墙墙基进行加固 22

6.2 从地铁施工控制角度 22

6.2.1 盾构施工注意事项 22

6.2.2 监控注意事项 22

6.3 从减振的角度 22

7、 结论与展望 24

7.1 结论 24

7.2 展望 25

参考文献 26

致谢 27

绪论

研究背景

城市的历史建筑反映了城市扩张的演变以及一个国家的历史文化发展，许多国家逐渐开始重视文化遗产历史古迹的开发和维护。中国作为拥有5000年历史的文明大国，现在的一二线大城市大多是在历史老城的基础上建立起来的，有像北京，南京，西安这样的以古代都城为基础向外扩张，有大量的名胜古迹、建筑和园林；亦或者像上海、天津、武汉和哈尔滨这样的在某些历史原因的影响下崛起并开始扩张，并且保留下来不少的建筑旧址的历史老城。进入二十一世纪，随着我国GDP总值的飞速发展，城市的规模也在不断的扩大，迅速增长的城市人口和高速的生活节奏给城市的交通系统带来了前所未有的压力。要解决城市基础建设和日渐饱和的地面空间之间的矛盾，合理开发地下空间已经成为大城市扩张城市容量的有效途径。

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