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        軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近運(yùn)營地鐵隧道影響的實(shí)測分析

        2016-09-08 07:12:53徐建勇錢麗英
        公路交通技術(shù) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:土方軟土土體

        徐建勇,錢麗英,周 時(shí)

        (浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,杭州 310000)

        軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近運(yùn)營地鐵隧道影響的實(shí)測分析

        徐建勇,錢麗英,周時(shí)

        (浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,杭州310000)

        以某沿海城市軟土地區(qū)鄰近營運(yùn)地鐵深基坑工程為實(shí)例,采用自動(dòng)化監(jiān)測方法對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,分析基坑施工過程對其產(chǎn)生的影響。監(jiān)測和分析結(jié)果表明:該地鐵隧道在施工過程中發(fā)生了側(cè)移、沉降、收斂等變形,基坑施工采取分塊開挖、土體加固、搶筑底板等措施處治后隧道變形發(fā)展得到較好控制;隧道變形與基坑開挖卸荷、深層淤泥質(zhì)土體流塑變形緊密相關(guān)。

        基坑;地鐵隧道;開挖;變形;自動(dòng)化監(jiān)測

        基坑施工引起的土體應(yīng)力重分布和水位變化會導(dǎo)致周邊建筑土體變形。尤其在軟土地區(qū),因土層含水率高、透水性低,具有明顯的蠕變和觸變性,故受力后結(jié)構(gòu)易被破壞,造成的后果更為嚴(yán)重。我國城市軌道交通發(fā)展較快的城市多為沿海和沿江城市,軟土地區(qū)覆蓋面積大,隨著地鐵沿線高強(qiáng)度、高密度的物業(yè)開發(fā)產(chǎn)生了大量深基坑工程,鄰近地鐵的軟土深基坑工程問題日益凸顯[1]。

        與普通基坑相比,軟土基坑施工對鄰近地鐵隧道擾動(dòng)影響往往較顯著,其會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形,致使不均勻沉降、滲漏水、裂縫等一系列隧道病害產(chǎn)生,從而會降低隧道的耐久性和適用性,對其結(jié)構(gòu)和功能安全造成十分不利的影響,甚至可能威脅到地鐵的行車安全,造成難以估量的嚴(yán)重事故。目前還缺乏成熟和完善的方法體系來指導(dǎo)地鐵保護(hù)施工,故基坑施工期間地鐵變形監(jiān)測便成為直接、有效的技術(shù)參考[2]。

        近年來,隨著科技水平不斷提高,大量高精度、智能化的先進(jìn)儀器和設(shè)備被不斷應(yīng)用于地鐵隧道監(jiān)測中[3-5],推動(dòng)了隧道監(jiān)測技術(shù)的快速進(jìn)步。目前認(rèn)可度較高的監(jiān)測方法是以高精度智能化全站儀為基礎(chǔ),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代化數(shù)據(jù)傳輸方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)化監(jiān)測。該方法目前已在北京、廣州、上海、南京、天津等地得到應(yīng)用[6-8]。本文以某沿海城市軟土地質(zhì)深基坑工程為背景,采用徠卡TM50測量機(jī)器人并結(jié)合專業(yè)變形監(jiān)測軟件GeoMos構(gòu)建自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng),對鄰近基坑的營運(yùn)地鐵隧道結(jié)構(gòu)體變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,分析基坑施工過程各階段隧道結(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn)與規(guī)律,為地鐵監(jiān)測與軟土地區(qū)深基坑地鐵保護(hù)施工提供參考。

        1 工程背景

        某大型綜合體建設(shè)項(xiàng)目占地約7萬m2,基坑工程包含為南、北2塊區(qū)域,設(shè)3層地下室,開挖深度13.1~15.2 m。北區(qū)基坑周長624 m,面積18 780 m2;南區(qū)基坑周長768 m,面積27 190 m2?;?xùn)|側(cè)鄰近運(yùn)營地鐵,該區(qū)域基坑開挖深度14 m,對應(yīng)區(qū)間的地鐵隧道埋深17.5 m。北基坑?xùn)|北角距離地鐵隧道最近,約22 m;南基坑?xùn)|南角距離地鐵隧道最遠(yuǎn),約56 m。

        項(xiàng)目場地所在地貌單元屬?zèng)_海積平原。根據(jù)鉆探、野外鑒別并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及原位測試,在場地勘探深度72.00 m范圍內(nèi),可劃分7個(gè)工程地質(zhì)層,14個(gè)亞層。自上而下分別為:①-1雜填土、①-2耕土、①-3塘泥、②-1粘質(zhì)粉土、②-2粉質(zhì)粘土、②-3粉質(zhì)粘土夾粉土、③-1淤泥質(zhì)粘土、③-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④粉質(zhì)粘土、⑤粉砂、⑥卵石、⑦-1、⑦-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑦-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖?;娱_挖涉及土層及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        表1 開挖土層物理力學(xué)參數(shù)

        基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般段設(shè)置為1排Φ1 000 mm鉆孔灌注樁(擋土樁)+1排Φ850 mm三軸水泥攪拌樁(止水帷幕);基坑?xùn)|側(cè)鄰近地鐵隧道,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了加強(qiáng),設(shè)置為1排Φ1 000 mm鉆孔灌注樁+2排Φ850 mm三軸水泥攪拌樁+1排Φ800 mm鉆孔灌注樁,樁底標(biāo)高-35 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵隧道位置關(guān)系如圖1所示。

        圖1 基坑與地鐵隧道關(guān)系剖面示意

        2 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

        2.1監(jiān)測系統(tǒng)組成

        2.1.1硬件系統(tǒng)

        硬件系統(tǒng)主要由徠卡TM50測量機(jī)器人、標(biāo)準(zhǔn)精密測距棱鏡、通信模塊、供電箱、計(jì)算機(jī)等組成。

        Nova TM50是徠卡新一代精密監(jiān)測機(jī)器人,其功能與特性適用于隧道監(jiān)測。其具備以下特點(diǎn):1)高精度。角度精度0.5″,精密測距精度為0.6 mm+ 1 ppm,惡劣環(huán)境下目標(biāo)識別距離可達(dá)1 200 m以上,滿足隧道變形監(jiān)測精度。2)自動(dòng)化。儀器自動(dòng)按照預(yù)設(shè)測量計(jì)劃進(jìn)行自主觀測、存儲數(shù)據(jù)。3)智能化。具有一定處理問題能力,如監(jiān)測點(diǎn)遮擋、灰塵干擾等。4)小視場技術(shù)。儀器能夠快速、準(zhǔn)確地識別正確目標(biāo)棱鏡,排除隧道狹長空間造成儀器視場內(nèi)棱鏡緊密分布帶來的干擾。

        使用徠卡L型標(biāo)準(zhǔn)精密測距棱鏡作為觀測標(biāo)志,將其用膨脹螺絲固定在隧道內(nèi),可被測量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤鎖定并進(jìn)行精密測量。

        通信模塊用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對測量機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,傳輸模式采用無線3 G模式。

        2.1.2軟件系統(tǒng)

        軟件系統(tǒng)采用專業(yè)變形監(jiān)測軟件GeoMos。該軟件是徠卡公司基于徠卡測量系統(tǒng)研發(fā)的,可用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、配置測量機(jī)器人及數(shù)據(jù)處理。

        2.2監(jiān)測范圍及內(nèi)容

        監(jiān)測范圍包括保護(hù)區(qū)內(nèi)地鐵隧道與近地鐵側(cè)基坑周邊土體。地鐵隧道監(jiān)測范圍包含基坑開挖邊界對應(yīng)的上行與下行線2條隧道區(qū)間(長約230 m)及兩端延伸50 m區(qū)間。上行線監(jiān)測區(qū)間起止里程樁號為SDK7+212~SDK7+564,起止管片環(huán)號為735—445;下行線隧道監(jiān)測區(qū)間起止里程樁號為XDK7+209~XDK7+561,起止管片環(huán)號為735—445;上、下行線隧道監(jiān)測區(qū)間分別長350 m。

        隧道變形監(jiān)測主要包括:1)隧道沉降;2)隧道水平位移;3)隧道收斂;4)軌頂沉降。另外,以人工觀測方式對基坑與地鐵隧道間深層土體水平位移、地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。

        2.3監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

        測站:上行線隧道和距離基坑較近的下行線隧道分別布置1臺和2臺機(jī)器人,且均采用鋼支架將機(jī)器人固定于洞壁并強(qiáng)制對中。

        監(jiān)測斷面:上行線每12 m布置1個(gè)監(jiān)測斷面,延伸段布置2個(gè);下行線每6 m布置1個(gè),延伸段每12 m布置1個(gè)。每個(gè)監(jiān)測斷面安裝4個(gè)L型棱鏡,分布在隧道拱腰與道床兩側(cè),如圖2所示。監(jiān)測斷面與基坑平面關(guān)系如圖3所示。

        基準(zhǔn)點(diǎn):基準(zhǔn)點(diǎn)布置在變形監(jiān)測區(qū)以外50~100 m范圍內(nèi)。上行線兩端分別布置4個(gè)后視點(diǎn),下行線兩端分別布置6個(gè)后視點(diǎn)。

        圖2 監(jiān)測斷面示意

        圖3 基坑與地鐵隧道平面關(guān)系示意

        3 監(jiān)測結(jié)果分析

        上行線隧道距離基坑較遠(yuǎn),變形監(jiān)測值相對較小,且其規(guī)律與特點(diǎn)不突出,滯后效應(yīng)明顯。因此本文選取距離基坑較近的下行線隧道作為研究對象,對其變形監(jiān)測情況進(jìn)行分析。

        3.1樁基工程施工期間隧道變形分析

        基坑?xùn)|側(cè)樁基工程于2015年3月3日動(dòng)工,從南向北推進(jìn)施工,6月3日全部完成,工期144 d。樁基施工期間,隧道沉降、水平位移、收斂累計(jì)變量均在1.0 mm以內(nèi)。

        樁基工程結(jié)束后,下行線隧道各項(xiàng)累計(jì)變量分布情況如圖4所示。圖4中,字母X代表下行線隧道,數(shù)字代表管片環(huán)號,沉降負(fù)值表示豎直向下變形,水平位移負(fù)值表示變形朝向基坑,收斂負(fù)值表示水平向外擴(kuò)張。

        圖4 樁基施工結(jié)束隧道累計(jì)變量分布曲線示意

        從圖4可以看出,保護(hù)區(qū)內(nèi)隧道沉降與收斂累計(jì)變量較小,變化分布隨機(jī)性較明顯。總體看,鉆孔灌注樁與三軸攪拌樁施工對距離22 m以外的地鐵隧道未造成明顯影響。

        3.2土方開挖施工期隧道變形分析

        土方開挖均按自西向東推進(jìn)、先南區(qū)基坑后北區(qū)基坑順序進(jìn)行,支撐梁施工隨開挖進(jìn)度展開。第1~4層土方厚度分別為2.1、5.0、4.5和3.5 m。

        3.2.1第1層土方施工

        截至土方開挖前,隧道各項(xiàng)監(jiān)測累計(jì)變量增長均未超過0.3 mm,基坑?xùn)|部第1層土方開挖全部完成時(shí)隧道沉降、收斂累計(jì)變量基本在1.5 mm以內(nèi),朝基坑方向的水平位移累計(jì)最大變量達(dá)3.1 mm。第1層土方施工結(jié)束后,下行線隧道各項(xiàng)累計(jì)變量分布情況如圖5所示。

        圖5 第1層土方施工結(jié)束隧道累計(jì)變量分布曲線示意

        由圖5可以看出,隧道整體表現(xiàn)為輕微隆起并朝基坑移動(dòng),同時(shí)管片結(jié)構(gòu)發(fā)生水平向外的收斂變形,隧道變形主要集中在中部區(qū)間。對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析,認(rèn)為有可能是土方開挖的卸荷效應(yīng)使影響區(qū)內(nèi)隧道斜上方土體應(yīng)力減小,而隧道對稱端的土體應(yīng)力基本不變,形成了對隧道朝斜上方向的推力,致使隧道隆起與側(cè)移,水平位移變量大于收斂變量。

        3.2.2第2層土方施工

        截至第2層土方開挖前,下行線隧道沉降、收斂累計(jì)變量維持原水平,水平位移累計(jì)最大變量增長0.5 mm?;?xùn)|部第2層土方開挖全部完成時(shí)隧道沉降變化不大,水平位移累計(jì)最大變量達(dá)5.2 mm(報(bào)警值4 mm),收斂累計(jì)最大變量2.6 mm。第2層土方施工結(jié)束后,下行線隧道各項(xiàng)累計(jì)變量分布情況如圖6所示。

        圖6 第2層土方施工結(jié)束隧道累計(jì)變量分布曲線示意

        從圖6可以看出,隨著開挖深度增加,隧道所受影響越發(fā)明顯,結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)出新的變化特征:北區(qū)基坑對應(yīng)的隧道區(qū)間開始出現(xiàn)下沉趨勢;水平位移與收斂累計(jì)變量曲線已呈現(xiàn)較明顯的“W”型分布特點(diǎn);“W”曲線底部的2個(gè)拐點(diǎn)為累計(jì)變形較大管片,分別與南北區(qū)基坑對應(yīng)。

        3.2.3第3層土方施工

        北區(qū)基坑第3層土方開挖時(shí),即刻監(jiān)測到水平位移有較快的持續(xù)增長,土方開挖停止后水平位移增速放緩,1個(gè)月后逐漸穩(wěn)定在13.3 mm。第3層土施工結(jié)束后,下行線隧道水平位移累計(jì)變量分布變化如圖7所示。

        圖7 第3層土方施工結(jié)束隧道水平位移累計(jì)變量分布曲線示意

        從圖7可以看出,第3層土方開挖與隧道變形有較直觀的因果關(guān)系,其中北區(qū)基坑表現(xiàn)較顯著;第3層土方開挖前后,水平位移均有一定程度發(fā)展,表明暴露的基坑對隧道有較持續(xù)的影響。

        3.2.4第4層土方開挖及底板施工

        針對地鐵隧道持續(xù)變形的情況,對后續(xù)施工方案進(jìn)行了調(diào)整,即:南區(qū)基坑?xùn)|側(cè)劃分成6個(gè)區(qū)塊進(jìn)行分塊跳挖與底板澆筑施工;考慮到北區(qū)基坑開挖對地鐵影響較大,該段地鐵隧道處于淤泥質(zhì)土層,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,施工風(fēng)險(xiǎn)高,經(jīng)多方論證后確定采用減層方案,即距離東側(cè)原開挖邊界線20 m范圍內(nèi)不再進(jìn)行土方開挖,地下3層設(shè)計(jì)改為地下2層,采用拉森鋼板樁對該區(qū)域土體進(jìn)行加固,其余區(qū)域劃分成5塊,依照“先中間后兩邊、左右對稱、搶工搶險(xiǎn)”原則進(jìn)行施工,盡快完成底板封閉。

        2015年11月6日,南區(qū)基坑?xùn)|側(cè)開始實(shí)施分塊開挖和底板施工,12月11日完成施工。12月18日開始,北區(qū)基坑?xùn)|部依照減層方案進(jìn)行施工。本文選取隧道水平位移變形2處突出區(qū)間的監(jiān)測點(diǎn)來代表南區(qū)和北區(qū)基坑對應(yīng)隧道區(qū)間的變形特征,繪制時(shí)間與隧道變形關(guān)系曲線,如圖8所示。

        圖8 北、南基坑對應(yīng)的隧道變形曲線示意

        從圖8可以看出:1)北區(qū)基坑采用減層方案施工后其對應(yīng)隧道區(qū)間變形有所發(fā)展但相對平緩,基坑施工對隧道影響程度有較明顯的降低;2)北區(qū)基坑?xùn)|側(cè)所有底板澆筑完成后隧道變形漸趨向穩(wěn)定;3)南區(qū)基坑?xùn)|側(cè)進(jìn)行分塊開挖施工后,開挖深度增加但對應(yīng)隧道區(qū)間變形無明顯加劇,底板澆筑完成后隧道變形漸趨平穩(wěn);4)底板澆筑完成一段時(shí)間后南區(qū)基坑對應(yīng)隧道區(qū)間再次出現(xiàn)變形發(fā)展,原因可能與緊鄰的北區(qū)基坑開挖施工有關(guān),當(dāng)北區(qū)基坑底板澆筑完成后,南區(qū)基坑對應(yīng)隧道區(qū)間變形重新趨于穩(wěn)定。

        3.3影響因素分析

        從基坑各階段施工內(nèi)容、施工進(jìn)度、現(xiàn)場作業(yè)等方面,結(jié)合各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對地鐵隧道變形的影響因素進(jìn)行如下分析:

        1)樁基施工階段,隧道變形監(jiān)測值較小,無明顯規(guī)律性,僅水平位移變化有一定程度體現(xiàn),原因可能與鉆孔灌注樁、三軸攪拌樁施工擾動(dòng)較小且距離地鐵隧道有一定距離有關(guān)。

        2)土方開挖前期,地鐵隧道表現(xiàn)為朝向基坑的側(cè)向移動(dòng)伴有輕微上浮與水平向外的收斂,原因可能與基坑內(nèi)大面積土方開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)有關(guān)。

        3)第2層土方開挖以后,地鐵隧道水平位移增長較快,沉降與收斂增長相對較慢,土方施工末期沉降增長加快,原因可能與隧道受逐步靠近的開挖施工與不斷增強(qiáng)的卸荷作用影響有關(guān)。

        4)施工進(jìn)度相對遲緩?;?xùn)|部第1、2層土方開挖工期超過2個(gè)月,混凝土支撐施工耗時(shí)均超過15 d,造成基坑在相對缺乏支撐力的情況下長時(shí)間暴露。

        5)開挖作業(yè)面控制不足。前期土方開挖未采用分區(qū)施工,大面積敞開式挖土施工產(chǎn)生較強(qiáng)卸荷作用,導(dǎo)致周邊土體應(yīng)力劇烈變化。

        6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮不足?;?xùn)|側(cè)深層土體水平位移監(jiān)測結(jié)果顯示,該區(qū)域土體明顯朝向基坑變形,最大水平位移發(fā)生在約22 m深度位置,地鐵隧道頂部埋深17.5 m;土方開挖末期地表出現(xiàn)多處裂縫、沉陷,基坑內(nèi)也有漏泥現(xiàn)象,在對應(yīng)地鐵隧道變形集中位置的基坑外側(cè)鉆孔勘探發(fā)現(xiàn)有地下空洞形成,注漿填充消耗約60 m3混凝土。對地勘資料與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)基坑?xùn)|側(cè)止水帷幕設(shè)計(jì)深度25 m,底部處于淤泥質(zhì)土層中。由此推測,隨著基坑深度增加,坑底土體受到的水土壓力差會不斷增大,在淤泥質(zhì)土層中基坑外側(cè)土體在內(nèi)外壓力差作用下很快進(jìn)入流塑狀態(tài),由于擋土樁的隔絕作用有限,淤泥土很可能穿過擋土樁間隙從止水帷幕底部進(jìn)入基坑,這種情況在局部區(qū)域持續(xù)發(fā)展一段時(shí)間后便會形成管涌,而管涌造成的坑外水土流失會導(dǎo)致一系列工程及周邊環(huán)境問題?;?xùn)|側(cè)深層土體水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

        圖9 深層土體水平位移曲線示意

        4 結(jié)論

        1)鄰近地鐵隧道的單側(cè)深基坑開挖會使地鐵隧道朝向基坑側(cè)向移動(dòng),從而會引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收斂、不均勻沉降變形,增加開挖深度,隧道變形特征也隨之變化。

        2)軟土地區(qū)周邊環(huán)境對深基坑開挖影響十分敏感,大面積開挖、長時(shí)間暴露不利的影響顯著,應(yīng)盡快、及時(shí)完成支護(hù)體系形成有效保護(hù)。對應(yīng)地鐵隧道變形敏感區(qū)塊施工應(yīng)提前備好各項(xiàng)處治預(yù)案,避免地鐵隧道發(fā)生不可控變形。

        3)在本文提到的基坑工程施工過程中,基礎(chǔ)底板對地鐵隧道變形發(fā)展的控制效果顯著,但混凝土支撐作用相對不足。

        4)軟土地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件給工程帶來的影響更為復(fù)雜,本文提到的基坑開挖等因素引起深層土體變形與地鐵隧道側(cè)移、變形有密切聯(lián)系。因此,基坑施工過程中全面掌握周邊深層土體情況,及時(shí)分析監(jiān)測結(jié)果,將有助于預(yù)防隱性災(zāi)害產(chǎn)生。

        [1]魏綱,李剛,蘇勤衛(wèi).基坑工程對運(yùn)營地鐵隧道影響的實(shí)測分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(1):179-185.

        [2]李瑛,陳金友,黃錫剛,等.大面積卸荷對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2013,35(增2):643-646.

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        Measuring&Analysis of Influence to Adjacent Operating Subway Tunnel from Soft Soil Area Deep Foundation Pit Construction

        XU Jianyong,QIAN Liying,ZHOU Shi

        This paper,taking deep foundation pit project adjacent to operating subway in soft soil area in certain coastal city as an example,uses automatic monitoring method to carry out dynamic monitoring of the structural deformation of subway tunnel,to analyze the influence by foundation pit construction.The monitoring and analysis results show that the subway tunnel undergoes deformation such as side shift,settlement,restrain,etc.,during foundation pit construction,after taking treatment measures such as block excavation,soil reinforcement,bed plate casting,etc.for foundation pit construction,the tunnel deformation was well controlled.The tunnel deformation is closely related with foundation pit excavation,plastic deformation of soil mass of deep layer sludge soil.

        Foundation pit;subway tunnel;excavation;deformation;automatic monitoring

        1009-6477(2016)04-0110-06

        U459.3

        B

        10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.025

        2016-02-18

        徐建勇(1964-),男,浙江省永康市人,本科,高工。

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