浅埋暗挖地铁隧道施工对既有运营道路的影响分析.pdf

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·隧道/地下工程·收稿日期:20151220基金项目:国家自然基金面上项目(51578447);黑龙江省科技攻关项目(GZ10C101);中国铁建股份科技开发项目(11-15C)浅埋暗挖地铁隧道施工对既有运营道路的影响分析胡利平(中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300)摘要在浅埋暗挖隧道下穿既有路基施工中,围岩岩体和地表道路的变形必然因为隧道的开挖扰动出现变化,通过数值模拟分析施工对路面沉降的影响意义重大。本文以哈尔滨南站站~农科院站区间隧道下穿学府路道路施工为工程背景,采用既有道路路基承载力的弹塑性位移加载数值模拟方法,对隧道施工过程中的路基承载力的“动态变化进行模拟;基于数值模拟分析提出了管棚超前,严格注浆;短台阶开挖并加强初期支护以及及时的仰拱”封闭的浅埋暗挖隧道台阶法施工控制要点,指导了该工程的施工,为工程沉降控制提供了科学依据。关键词暗挖隧道道路沉降影响分析数值模拟中图分类号U231.3文献标识码A文章编号10094539(2016)03001405ImpactAnalysisofShallow-buriedMetroTunnelConstructionontheExistingOperatingHighwayHuLiping(ChinaRailwayConstructionBridgeEngineeringBureauGroupCo.Ltd.,Tianjin300300,China)AbstractIntheconstructionofshallow-buriedmetrotunnelunderpassingtheexistingsubgrade,theexcavationdisturb-anceoftunnelwillinevitablyleadtosurroundingrockdeformationandsurfaceroadsettlement.Therefore,itissignificanttoanalyzetheconstructionimpacttopavementsettlement.ThispapertakestheintervaltunnelfromHarbinSouthStationtoAcademyofAgriculturalScienceswhichisunderpassingXuefuRoadastheengineeringbackground,thedynamicchangecharacteristicsofsubgradebearingcapacityisrevealedintunnelconstructionwithstepmethodbyusingelastoplasticdis-placementloadnumericalsimulationoftheexistingsubgradebearingcapacity.Basedonthenumericalresults,thecontrolpointsintheconstructionofshallow-buriedmetrotunnelwithstepmethodareputforward“:pipe-shedadvanced,strictgrouting,shortstepexcavation,strengtheninginitialsupportandtimelycloseinvert”.Thisconclusionprovidesaguidanceandascientificbasisforsettlementcontrolofthisproject.Keywordsundergroundexcavatedtunnel;highwaysettlement;impactanalysis;numericalsimulation1引言随着我国城市地铁修建的飞速发展,不良地质条件下的浅埋隧道下穿既有运营道路工程的建设量大、面广,不良地质条件下隧道下穿运营道路时隧道和道路的相互影响也越来越严重[1-4]。新建隧道下穿施工必然会引起既有道路路基的变形,进而影响既有道路的运营,严重时可导致路面破坏,引起人员安全事故等[5-7]。在英国,由于城市地铁修建较早,对隧道施工引起的地表沉降问题学者和研究人员做了大量的研究。OReilly,New等[8-9]结合以不同地层为变量,对不同施工工艺引起的地表变化规律进行总结,并根据实测的多条地表沉降观测数据提出了隧道施工引起的地表沉降时沉降槽宽度以及地层损失、地表沉降的计算公式。美国学者Peck[10]根据收集的多个隧道开挖施工引起的地表沉降的实测资料,系统总结了隧道施工所引起的地41铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·隧道/地下工程·表沉降的形式及其影响因素,提出了隧道施工引起的地层损失是构成地表下沉的主要原因,并建立了最大沉降值与地层损失的Peck公式。近年来,结合我国地铁的建设,研究人员对新建隧道下穿既有道路施工技术进行了广泛的研究,取得了一些有意义的研究成果[11-13]。但下穿既有运营道路的隧道施工易受到路面不均匀动荷载及埋深的影响,施工难度大,因此需要结合具体工程进行施工方案优化,以保障隧道施工及运营道路的安全。本文以哈尔滨南站站~农科院站区间隧道穿越学府路规划道路正下方施工引起的路基承载力变化为工程背景,采用既有道路路基承载力的弹塑性位移加载数值模拟方法,对道路路基的破坏过程进行数值分析,对运营道路路基承载力的变化进行研究,总结了控制路基沉降的浅埋暗挖的施工技术,为工程沉降控制提供了依据。2穿越运营道路地铁隧道工程概况2.1哈尔滨南站站~农科院站区间隧道概况工程区间设计起点里程SK0+294.40,终点里程SK1+456.985,全长1162.585m,区间隧道处于学府路规划道路的正下方。学府路规划宽度80m,隧道中线平行于道路中线,道路两侧分别为农科院、哈达水果批发市场、民宅等,最近距离约30m。2.2工程地质条件地层岩性工程区间隧道地层主要由第四纪全新世人工堆积层、上更新统哈尔滨组地层、中更新统上荒山组地层、下荒山组地层组成。地层从上到下主要有:杂填土(①)、粉质黏土(②)、粉质黏土(③)、粉质黏土(③-2)、粉质黏土(④)、粉质黏土(④-4)、中砂(⑥)。区间隧道主要穿越粉质黏土(④)层,底部主要位于粉质黏土(④)层,基底承载力满足设计要求。根据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB50307-1999),粉质黏土层可挖性分级为Ⅰ或Ⅱ级;根据《铁路工程地质勘察规范》(TB10012-2007),粉质黏土层围岩分级为Ⅵ级或Ⅴ级。区间隧道地下水主要赋存于冲洪积地层内,含水层主要为孔隙潜水。但粉质黏土中存在上层滞水,并且分布不连续。3隧洞开挖对公路沉降影响三维数值模拟3.1有限元网格的建立以哈尔滨南站站~农科院站区间隧道为研究对象,地铁隧道主线宽5.6m,高6m。建立FLAC3D三维数值分析模型,数值模型见图1。其中Z为竖直方图1数值模型网格向,X为径向,Y为轴向。计算模型大小50m×30m×30m,模型共有78159个节点和72000个单元。根据区间隧道勘察及设计资料,隧道开挖的模型及支护结构参数按表1、表2取值。表1土层的物理参数指标土层名称天然容重/(kN·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比压缩模量/kPa粉质黏土②18.841.710.20.304.66粉质黏土③19.252.613.20.365.44粉质黏土④19.443.110.20.325.75粉砂⑤17.35.028.20.2911.15中砂⑥18.44.030.80.287.18表2支护结构的物理参数指标支护结构材料名称重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比混凝土253×1040.2钢材792.1×1050.33.2计算结果及分析根据确定的施工开挖方案和隧道的支护方案,确定区间浅埋段下穿学府路规划道路正下方隧道和道路相互影响的施工步序模拟步骤如下:(1)首先对模型进行平衡区自重、位移及塑性区清零。(2)对土体及模型进行取值,采用莫尔-库伦模型。(3)施工步采用10单元进行循环施工,支护形式放在各部开挖完成之后,同时进行锁脚锚杆的施工,并施加中隔板。隧道的开挖是一个动态的过程,随着隧道施工的图2计算模型的测点布置推进,道路将随之出现沉降。为分析道路沉降随隧道施工的变化,在路面地表选取DB-(1-3)轴线上的3个测点和DB-(4-7)横向测点为研究对象,研究点分布见图2所示。图3和图4给出了路面上的监测点随着隧道的掘进,沉降位移不断51铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·隧道/地下工程·变化的z方向位移云图,由图可见,随着隧道的开挖,先行位移出现大的变化,而后支护结构的施工完成后,岩体变形逐渐稳定。分析图3给出的隧道经过道路下部过程时的位移云图可见,在浅埋隧道下穿道路施工中,路面的最大位移集中在掌子面附近,此时道路地表最大沉降量达40mm,且在隧道的拱底出现约80mm左右的隆起。图3第一步开挖Z方向位移图4第二步开挖z方向位移横断面图分析地铁隧道施工引起的地表沉降位移的变化过程可见,在隧道施工过程中,地表沉降位移变化来源于初始步产生,其后的施工对沉降的影响逐渐减弱;且在支护结构形成后位移基本趋于稳定。对比地铁隧道不同施工过程中地表不同位置测点的变形发展过程,图5给出了图2中横向测点DB-4、DB-5、DB-2、DB-6和DB-7位移在地铁隧道上台阶施工过程中的分布规律。由图给出的地表测点位移随开挖距离变化时程曲线可见,上台阶开挖对位移影响较大;当开挖面与测点方向出现一定距离,路面出现沉降稳定。就变化量而言,横向测点的沉降与偏离中线距离成反比,距离中线越远,变形越小。图5开挖上台阶位移变化3.3隧道施工对地基承载力的影响分析以施工引起的变形量为控制指标,根据数值计算得到隧道施工时路基承载力的变化,并绘制开挖—隧道之前和开挖之后地层模型承载力位移的变化曲线,如图6所示。不难发现,位移逐渐变化而承载力逐渐趋于稳定,其稳定值为地基的极限承载力。在开挖隧道之前和开挖之后,对应的极限承载变化较大。图6开挖前后路基承载力对比就开挖隧道引起地基承载力变化数值而言,路基的承载力将降低约50%。因此,施工中必须考虑浅埋时运营路基承载力的变化。根据数值分析中不同变形对承载力影响的变化曲线,上台阶开挖是承载力变化控制的关键,为之在开挖上台阶前需要进行超前的支护,以减少上台阶开挖的变形量,进而减少开挖对路基承载力的影响。4基于数值模拟的区间隧道施工技术4.1施工方案通过以上的模拟可知,路面沉降与离工作面的距离有关,离开挖面越远,位移变化越大。而且由于隧道开挖,导致路基承载力下降明显。因此需要严格控制开挖进尺,并采取必要的辅助施工和加固措施,以保持路基良好的承载力,并控制路基的过大沉降。为之,建议地铁区间隧道Ⅳ级单洞单线断面采用台阶法开挖,Ⅴ级围岩单洞单线断面采用上61铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·隧道/地下工程·下台阶预留核心土法开挖;开挖施工中采取超前支护、小进尺开挖、尽早支护并及时封闭成环的施工原则。地铁区间隧道施工工艺流程见图7所示,其施工技术要点如下:(1)管超前。隧道穿越地层为Ⅳ、Ⅴ级围岩,掌子面未开挖前在拱圈位置用风钻进行打孔,采用直径越42、长度3.5m的超前导管进行超前支护,起抬梁作用,防止掌子面坍塌。(2)严注浆。为改善和提高围岩的自稳能力,加强超前导管的注浆锚固、掌子面的封闭注浆、初支的背后注浆以及二衬的回填注浆,以控制围岩变形和地面的沉降。(3)短开挖。控制开挖尺寸,同时增加开挖循环频率,减小岩体扰动,尽早地封闭岩体,确保岩体出现极小位移。(4)强支护。对支护结构进行严格施工,初期支护采用格栅拱架,确保喷层厚度达到设计要求,以保证较强的支护结构,减小岩体形变。(5)早封闭。由于覆盖土薄,穿越地层是砾质和砂质黏土,呈软塑硬塑状,需及时封闭开挖面,以避免出现坍塌。图7区间隧道施工工艺流程4.2施工监测为了确保隧道施工安全和路基的安全,在施工中对路面沉降进行全面监测。以《地下铁道施工及验收规范》、隧道现场实际条件和隧道施工图设计要求布设监测点位。并将地表沉降点布置于隧道中线,点间距离5m;洞内将水平收敛及拱顶下沉点在相应断面进行布置。同时根据地下管线结构情况对地表沉降点进行调整布置,对受施工影响较大的管线挖出设置观测点进行监测。所设测点用隧16钢筋进行布置,埋设深度为地表下50cm,同时要求低于地面5cm,并进行与混凝土路面隔离处置。基点布设于施工扰动以外,同时保证通视效果好,同时可见点个数不小于2个[14]。经过2个月的监控量测,路面最大沉降值9.3mm,小于控制值20mm,速率在控制值3mm/d以内,大小为2.4mm/d,因此隧道开挖对地表影响较小。对隧道洞内拱顶沉降及洞周收敛的监测数据进行分析,从监测数据可以看出,隧道拱顶累计沉降值最大为8.5mm,低于警戒值15mm,其速率为2.3mm/d,低于控制值3mm/d;隧道收敛为6.4mm,其最大形变速率为2.6mm/d。因此隧道监测断面岩体位移值均较小,因此隧道开挖后围岩稳定性较好。但就施工过程而言,初期支护对岩体结构变形量的影响较为明显,其变:程遵循急剧形变、缓慢形变及形变稳定的变化规律,但其变形值均未超出警戒值,基本处于稳定状态。5结论在浅埋暗挖隧道施工中,尤其存在既有路基条件下,围岩岩体和地表道路的变形必然因为隧道的开挖扰动出现变化,通过数值模拟分析施工对道路沉降的影响意义重大。论文以哈尔滨南站站~农科院站区间隧道穿越学府路规划道路正下方施工引起的路基承载力变化为工程背景,采用既有道路路基承载力的弹塑性位移加载数值模拟方法,对隧道施工引起的路基承载力的动态变化进行了系统地模拟分析。基于数值模拟分析得出了台阶法开挖上台阶施工对路基沉降影响巨大的结论,提出了“管超前,严注浆;短台阶开挖并加强初期支护,以”及及时仰拱封闭的浅埋暗挖隧道的施工方案,总结形成了施工中控制路基沉降的浅埋暗挖隧道的施工技术,为工程沉降控制提供了科学依据,为今后同类工程的设计和计算提供了参考。参考文献[1]曹海林.新建隧道下穿既有公路隧道施工技术[J].铁道建筑技术,2013(5):58-61.71铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)·隧道/地下工程·[2]李昕晔.水平旋喷技术在矿山法隧道下穿浅基础建筑物施工中的应用[J].铁道建筑技术,2015(11):66-69.[3]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大学,2003:108-213.[4]赵东华.大跨度超浅埋暗挖隧道下穿城市主干道施工技术[J].铁道建筑技术,2014(11):43-45.[5]张成平,张顶立,王梦恕,等.城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制[J].岩土力学,2010(S1):303-309.[6]金耀.宝兰线晁峪隧道下穿310国道施工[J].铁道建筑,2003(2):24-25.[7]吴昭永.复杂环境条件下城市暗挖隧道施工技术研究[J].隧道建设,2003(1):34-37.[8]O.Reilly,M.P.New,B.M..SettlementsabovetunnelsintheUnitedKingdomtheirmagnitudeandPrediction[C].Proc.OfTunnelling82Symposium.London,1982:173-181.[9]O.Reilly,M.P.New,B.M..TunnellingInducedGroundMovements:predictingtheirMagnitudeandEffects[C].4thInt.Conf.OnGroundMovements&Structures.Japan,1991:671-697.[10]Peck,R.B.Deep.Excavationsandtunnelinginsoftground[C].Proceedingsofthe7thInternationalConfer-enceonSoilMechanicsandFoundationEngineering.SouthAfrica,1969:84-87.[11]骆建军,张顶立,王梦恕,等.浅埋暗挖车站施工地表沉降实测分析[J].铁道建筑技术,2006(3):1-4.[12]沈良帅,贺少辉.复杂环境条件上跨下穿同一既有地铁隧道的变形控制分析及施工方案优化[J].岩石力学与工程学报,2008(S1):2893-2900.[13]吴昭永.复杂环境条件下城市暗挖隧道施工技术研究[J].隧道建设,2003(1):34-37.[14]郑召怡.城市复杂环境条件下软弱围岩浅埋大跨隧道施工方法研究[D].重庆:重庆交通大学,2010:檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪217-309.(上接第9页)传统喷射混凝土考虑20%回弹的情况下,每方成本为484.97÷(1-20%)=606.21元;快凝早强混凝土考虑5%回弹的情况下,每方成本为347.98÷(1-5%)=366.3元。改进的施工技术相对于传统支护节约了40%的成本。3.3.4作业环境对比通过对施工周边环境的PM10值进行检测,其在传统喷射混凝土中检测结果平均值为1.04mg/m3,而改进施工技术其检测结果平均值为0.15mg/m3。通过隧道初期支护施工技术的改进粉尘浓度大幅度降低,操作旁几乎没有粉尘,保护了工人职业健康。4结论通过改进喷射混凝土装置,可以有效对隧道初期支护过程中喷射的混凝土进行压实,增强了混凝土承受隧道围岩应力能力,还有效降低了混凝土的使用量,进而降低成本。提高喷射混凝土的品质,加强初期支护的强度,并且降低了回弹率,减少了机械磨耗,降低了成本。改进的喷射混凝土可以达到全面防尘降尘目的,有效改善隧道施工作业环境。参考文献[1]毕树峰.隧道初期支护施工技术[J].山西建筑,2003,29(9):120-121.[2]陈向阳.公路隧道湿喷混凝土施工技术与研究[J].公路交通科技,2003,20(1):77-79.[3]李庚许.湿喷技术在乌鞘岭隧道支护施工中的应用[J].铁道建筑技术,2004(S1):52-54.[4]赵东波.高性能喷射混凝土在乌鞘岭特长隧道中的应用[J].隧道建设,2008,28(3):349-351.[5]陶坤.湿喷混凝土在公路隧道初期支护中的施工技术与质量分析[J].公路,2011(12):199-203.[6]邬恒玉.老鸦峡隧道初期支护湿喷施工技术[J].铁道建筑技术,2002(6):44-45.[7]杨凯,邓宗刚.湿喷机械手在秦岭天华山隧道中的应用[J].铁道建筑技术,2015(7):20-23.[8]陈建申.隧道初期支护大变形处理技术[J].铁道建筑技术,2014(2):43-46.[9]雷军宁.软岩隧道初期支护技术措施探讨[J].铁道建筑技术,2012(S1):99-102.[10]侯甲福.如何有效控制炭质页岩深埋地层隧道初期支护变形[J].铁道建筑技术,2009(3):44-47.[11]崔文镇.高原长大隧道几种施工装备的选取与研制[J].铁道建筑技术,2015(9):103-110.[12]邱俊,曹盛明,张东长.早强混凝土配合比正交试验研究[J].公路交通技术,2007(5):32-36.81铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(03)
布丁老师
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