双洞垂直重叠地铁隧道施工力学行为
【摘 要】 通过建立有限元模型,对复杂地质条件下双洞重叠地铁隧道的施工过程进行数值模拟,研究了隧道各施工阶段的稳定性和支护结构安全性。结果表明,上洞下台阶施工对下洞结构内力影响较大,且上洞上台阶施工,对地表位移影响较大。
【关键词】 双洞重叠; 地铁隧道; 有限元; 施工力学
1 前 言
目前世界上采用暗挖法修建重叠隧道并不多见,在日本仅有一例是一座双层重叠隧道。此外俄罗斯有采用盾构法修建的双洞双层8车道隧道的事例。国内有些隧道局部出现重叠的情况,如福厦高速公路与泉厦高速公路的交叉段。深圳地铁一期工程罗湖站至大剧院站区间隧道,所穿越的地层条件复杂,围岩极其软弱,隧址地下水位高,隧道拱顶标高在地下水位以下。区间内隧道埋深在10~15m,属于浅埋隧道。隧道沿线高大建筑物密布,为了避开桩基,YSK(ZSK)2+388.35~YSK(ZSK)2+430段上下线共长41.65m,需采用垂直重叠暗挖法施工隧道通过,其中上洞围岩主要为Ⅳ级,下洞围岩主要为Ⅱ级。
2 计算条件
2.1 断面形式
双洞垂直重叠地铁隧道断面如图1所示。
2.2 围岩的物理力学指标
本次计算中围岩物理力学指标如表1所列。
2.4 施工过程模拟
该段重叠隧道采用台阶法施工,计算中模拟了10个施工步骤,具体施工过程如下:开挖之前,先进行拱部预加固施工。①开挖下洞上半部围岩;②施作下洞拱部初期支护; ③开挖下洞下半部围岩;④施作下洞下半部初期支护;⑤施作下洞防水层和二次衬砌;⑥开挖上洞上半部围岩;⑦施作上洞拱部初期支护;⑧开挖上洞下半部;⑨施作上洞下半部初期支护;⑩施作上洞防水层和二次衬砌。
2.5 计算范围与计算边界
本次计算范围选取为: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。计算域左右有水平约束,下部有垂直约束,地表为自由边界。计算中,用实体单元模拟围岩、初期支护和二次衬砌,用杆单元模拟锚杆。
2.6 计算控制点
计算选取的控制点如图2所示。
3 计算结果
3.1 隧道洞周位移
该段隧道洞周位移随施工步变化规律如图3、图4所示。由图3、图4可知,上洞拱顶最大位移为10.8mm,仰拱最大位移为0.6mm,边墙最大位移为0.4mm。下洞拱顶最大位移为1.7mm,仰拱最大位移为0.7mm,边墙最大位移为0.2mm。拱顶位移达到了规范规定,但水平收敛在规范规定的量值范围之内。
3.2 初期支护内力及安全性
初期支护的内力及安全系数变化绘于图5~图8。
由图5~图8可以看出:
下洞初期支护最大轴力为1744kN,最大弯矩为70.4kN·m,最小安全系数为1.5。上洞初期支护最大轴力为1493kN,最大弯矩为19.9kN·m,最小安全系数为2.9。在绝大多数施工步中,初期支护系抗压控制,安全性比较高。
3.3 下洞二次衬砌内力及安全性
由于上洞施工对下洞二次衬砌的影响较大,计算得到下洞二次衬砌内力及安全系数随开挖步变化情况绘于图9、图10。
由图9、图10可知:
下洞二次衬砌最大轴力为1493kN,最大弯矩为19.9kN.m,最小安全系数为4.9,二次衬砌截面均系抗压强度控制,安全储备比较高。
3.4 锚杆轴力
计算得到的锚杆的轴力如图11,锚杆最大轴力为18.1kN,没有超过50kN,所以,在该段隧道施工中,锚杆是安全的。
3.5 地表沉降
最大地表沉降随施工步的变化情况见图12、图13。
由图12、图13可以看出:各施工步的最大沉降量随施工步变化而变化,其中下洞施工时,地表沉降较稳定,上洞拱部开挖对地表沉降影响较大,以后各步的施工对地表沉降影响又比较小。最大地表沉降为4.1mm,不会对地表建筑物引起不良影响。沉降槽沿隧道中心线对称,两侧各宽14m左右。
4 结 论
该段隧道,在所处地质条件下,选用的施工方法,能够保证施工安全和结构的安全。具体表现为:
4.1 隧道洞周位移
除上洞拱顶位移最大位移为10.8mm较大外,其它位移均较小,基本在规范规定的范围之内。
上洞和下洞的拱顶位移随着施工步的进行都有增大趋势,其中下洞拱顶位移在上洞开挖过程中,有所增大;其它部位位移随施工步的增加也有所增大,但增加较小。
4.2 初期支护内力及安全性
上、下洞初期支护最小安全系数为1.5。在绝大多数施工步中,初期支护系抗压控制,安全性比较高。
下洞初期支护的轴力和弯矩在二次衬砌施作之前,随开挖步变化剧烈,当施作二次衬砌以后,初期支护内力趋于稳定。初期支护的安全系数在开挖下半断面时减至最小,施作二次衬砌以后,初期支护安全系数有较大提高,并趋于稳定,即上洞开挖对下洞的初期支护安全系数影响不大。
上洞初期支护的轴力和弯矩随开挖步变化不大。初期支护的安全系数在开挖下半断面时减至最小,随着初期支护的封闭有较大提高。
4.3 下洞二次衬砌内力及安全性
下洞二次衬砌截面均系抗压强度控制,安全储备比较高,且二次衬砌内力及安全系数随开挖步变化不大。
4.4 锚杆轴力
锚杆最大轴力为18.1kN,没有
超过50kN,所以,在该段隧道施工中,锚杆是安全的。
4.5 地表下沉
各施工步的最大沉降量随施工步变化而变化,其中下洞施工时,地表沉降较小,上洞拱部开挖对地表沉降影响较大,以后各步的施工对地表沉降影响又比较小。最大地表沉降为4.1mm,不会对地表建筑物引起不良影响。
4.6 关键工序
上述分析表明,上洞下台阶施工对下洞结构内力影响较大,是关键工序。上洞上台阶施工对地表位移影响较大,也是关键工序。
参考文献
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