雙洞垂直重疊地鐵隧道施工力學(xué)行為分析

1、雙洞垂直重疊地鐵隧道施工力學(xué)行為分析【摘 要】 通過(guò)建立有限元模型 , 對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下雙洞重疊地鐵隧道的施工 過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬 , 研究了隧道各施工階段的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性。結(jié)果表 明,上洞下臺(tái)階施工對(duì)下洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大 , 且上洞上臺(tái)階施工 , 對(duì)地表位移影 響較大?！娟P(guān)鍵詞】 雙洞重疊 ; 地鐵隧道 ; 有限元; 施工力學(xué)1 前 言目前世界上采用暗挖法修建重疊隧道并不多見(jiàn) , 在日本僅有一例是一座雙層 重疊隧道。此外俄羅斯有采用盾構(gòu)法修建的雙洞雙層 8 車(chē)道隧道的事例。國(guó)內(nèi) 有些隧道局部出現(xiàn)重疊的情況 , 如福廈高速公路與泉廈高速公路的交叉段。深圳 地鐵一期工程羅湖站至大劇院站區(qū)間

2、隧道 , 所穿越的地層條件復(fù)雜 ,圍巖極其軟 弱,隧址地下水位高 , 隧道拱頂標(biāo)高在地下水位以下。區(qū)間內(nèi)隧道埋深在1015m,屬于淺埋隧道。隧道沿線高大建筑物密布 , 為了避開(kāi)樁 基,YSK(ZSK)2+388.35YSK(ZSK)2+430段上下線共長(zhǎng) 41.65m, 需采用垂直重疊暗 挖法施工隧道通過(guò) ,其中上洞圍巖主要為級(jí) , 下洞圍巖主要為級(jí)。2 計(jì)算條件2.1 斷面形式 雙洞垂直重疊地鐵隧道斷面如圖 1 所示。2.2 圍巖的物理力學(xué)指標(biāo) 本次計(jì)算中圍巖物理力學(xué)指標(biāo)如表 1 所列。2.4 施工過(guò)程模擬該段重疊隧道采用臺(tái)階法施工 ,計(jì)算中模擬了 10 個(gè)施工步驟 ,具體施工過(guò) 程如下:

3、開(kāi)挖之前 , 先進(jìn)行拱部預(yù)加固施工。開(kāi)挖下洞上半部圍巖 ; 施作下洞 拱部初期支護(hù) ; 開(kāi)挖下洞下半部圍巖 ; 施作下洞下半部初期支護(hù) ; 施作下 洞防水層和二次襯砌 ; 開(kāi)挖上洞上半部圍巖 ; 施作上洞拱部初期支護(hù) ; 開(kāi)挖 上洞下半部 ; 施作上洞下半部初期支護(hù) ; 施作上洞防水層和二次襯砌。2.5 計(jì)算范圍與計(jì)算邊界本次計(jì)算范圍選取為 : 上部至地表 , 下部取至隧道仰拱以下 40m左右。左右 各取 50m左右。計(jì)算域左右有水平約束 ,下部有垂直約束 , 地表為自由邊界。計(jì) 算中, 用實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌 ,用桿單元模擬錨桿。2.6 計(jì)算控制點(diǎn)計(jì)算選取的控制點(diǎn)如圖 2 所

4、示。3 計(jì)算結(jié)果3.1 隧道洞周位移該段隧道洞周位移隨施工步變化規(guī)律如圖 3、圖 4所示。由圖 3、圖 4 可知, 上洞拱頂最大位移為 10.8mm,仰拱最大位移為 0.6mm,邊墻最大位移為0.4mm。下洞拱頂最大位移為 1.7mm,仰拱最大位移為 0.7mm,邊墻最大位移為 0.2mm。拱頂位移達(dá)到了規(guī)范規(guī)定 , 但水平收斂在規(guī)范規(guī)定的量值范圍之內(nèi)。3.2 初期支護(hù)內(nèi)力及安全性 初期支護(hù)的內(nèi)力及安全系數(shù)變化繪于圖 5圖 8。由圖 5圖 8可以看出 :下洞初期支護(hù)最大軸力為 1744kN,最大彎矩為 70.4kNm,最小安全系數(shù)為 1.5 。上洞初期支護(hù)最大軸力為 1493kN,最大彎矩為

5、19.9kNm,最小安全系數(shù)為 2.9 。在絕大多數(shù)施工步中 , 初期支護(hù)系抗壓控制 ,安全性比較高。3.3 下洞二次襯砌內(nèi)力及安全性由于上洞施工對(duì)下洞二次襯砌的影響較大 , 計(jì)算得到下洞二次襯砌內(nèi)力及 安全系數(shù)隨開(kāi)挖步變化情況繪于圖 9、圖 10。由圖 9、圖 10 可知:下洞二次襯砌最大軸力為 1493kN,最大彎矩為 19.9kN.m, 最小安全系數(shù)為 4.9, 二次襯砌截面均系抗壓強(qiáng)度控制 , 安全儲(chǔ)備比較高。3.4 錨桿軸力 計(jì)算得到的錨桿的軸力如圖 11,錨桿最大軸力為 18.1kN,沒(méi)有超過(guò) 50kN, 所以, 在該段隧道施工中 , 錨桿是安全的。3.5 地表沉降 最大地表沉降隨

6、施工步的變化情況見(jiàn)圖 12、圖 13。由圖 12、圖 13可以看出 :各施工步的最大沉降量隨施工步變化而變化 ,其 中下洞施工時(shí) , 地表沉降較穩(wěn)定 , 上洞拱部開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較大 , 以后各步的 施工對(duì)地表沉降影響又比較小。最大地表沉降為 4.1mm,不會(huì)對(duì)地表建筑物引起 不良影響。沉降槽沿隧道中心線對(duì)稱 , 兩側(cè)各寬 14m左右。4 結(jié) 論該段隧道 , 在所處地質(zhì)條件下 , 選用的施工方法 ,能夠保證施工安全和結(jié)構(gòu) 的安全。具體表現(xiàn)為 :4.1 隧道洞周位移除上洞拱頂位移最大位移為 10.8mm較大外, 其它位移均較小 ,基本在規(guī)范 規(guī)定的范圍之內(nèi)。上洞和下洞的拱頂位移隨著施工步的進(jìn)行

7、都有增大趨勢(shì) , 其中下洞拱頂位 移在上洞開(kāi)挖過(guò)程中 , 有所增大 ; 其它部位位移隨施工步的增加也有所增大 , 但增 加較小。4.2 初期支護(hù)內(nèi)力及安全性上、下洞初期支護(hù)最小安全系數(shù)為 1.5 。在絕大多數(shù)施工步中 , 初期支護(hù) 系抗壓控制 , 安全性比較高。下洞初期支護(hù)的軸力和彎矩在二次襯砌施作之前 ,隨開(kāi)挖步變化劇烈 , 當(dāng)施 作二次襯砌以后 , 初期支護(hù)內(nèi)力趨于穩(wěn)定。初期支護(hù)的安全系數(shù)在開(kāi)挖下半斷面 時(shí)減至最小 , 施作二次襯砌以后 , 初期支護(hù)安全系數(shù)有較大提高 ,并趨于穩(wěn)定 ,即 上洞開(kāi)挖對(duì)下洞的初期支護(hù)安全系數(shù)影響不大。上洞初期支護(hù)的軸力和彎矩隨開(kāi)挖步變化不大。初期支護(hù)的安全系數(shù)

8、在開(kāi) 挖下半斷面時(shí)減至最小 , 隨著初期支護(hù)的封閉有較大提高。4.3 下洞二次襯砌內(nèi)力及安全性下洞二次襯砌截面均系抗壓強(qiáng)度控制 ,安全儲(chǔ)備比較高 , 且二次襯砌內(nèi)力及 安全系數(shù)隨開(kāi)挖步變化不大。4.4 錨桿軸力錨桿最大軸力為 18.1kN, 沒(méi)有超過(guò) 50kN,所以, 在該段隧道施工中 , 錨桿是 安全的。4.5 地表下沉各施工步的最大沉降量隨施工步變化而變化 ,其中下洞施工時(shí) , 地表沉降較 小,上洞拱部開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較大 , 以后各步的施工對(duì)地表沉降影響又比較 小。最大地表沉降為 4.1mm,不會(huì)對(duì)地表建筑物引起不良影響。4.6 關(guān)鍵工序上述分析表明 , 上洞下臺(tái)階施工對(duì)下洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大 ,是關(guān)鍵工序。上 洞上臺(tái)階施工對(duì)地表位移影響較大 , 也是關(guān)鍵工序。參考文獻(xiàn)1 北京城建設(shè)計(jì)研究總院 .GB50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范 S. 重慶交通科研設(shè)計(jì)院 .JTGD70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 S. 北京: 人民交