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1、地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路影響分析 【摘要】結(jié)合實(shí)際工程采用peck經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模擬方式,預(yù)測盾構(gòu)隧道推進(jìn)對(duì)鐵路的沉降影響,分析鐵路荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響,并對(duì)該地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程提出具體處理措施及對(duì)策。 【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道;下穿鐵路;數(shù)值模擬;加固 0 引言 隨著城市發(fā)展,地面交通日益緊張,開發(fā)地下空間,發(fā)展軌道交通已是大勢所趨。因地鐵建設(shè)與既有建構(gòu)筑物相互影響無法完全避免,所以進(jìn)行地鐵盾構(gòu)隧道下穿建構(gòu)筑物的影響分析是很有必要的。 1 工程概況 本工程既有結(jié)構(gòu)為北倉鐵路,現(xiàn)要施工一條雙線下穿盾構(gòu)隧道,與鐵路斜交。鐵路與隧道平剖面位置關(guān)系如下所示: 圖1 平面關(guān)系圖 圖2 剖面關(guān)系圖 擬定
2、先推進(jìn)上行線,后推進(jìn)下行線。擬通過數(shù)值模擬考察:1)在土體加固與不加固兩種情況下盾構(gòu)隧道推進(jìn)對(duì)鐵路的沉降影響,以驗(yàn)證加固方案效果;2)鐵路荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響,以優(yōu)化管片設(shè)計(jì)。 2 盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路的影響分析 國內(nèi)外研究表明,盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形主要原因有以下幾點(diǎn): 1)盾構(gòu)推進(jìn)方向改變、超挖等; 2)受擾動(dòng)土體的再固結(jié); 3)土體與襯砌的相互作用; 4)土體擠入盾尾空隙。 目前用于預(yù)測盾構(gòu)法掘進(jìn)引起土體變形的主要方法有經(jīng)驗(yàn)公式法(結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù))和考慮施工過程的數(shù)值分析法。 2.1 Peck法沉降估算 在軟弱土層中采用盾構(gòu)施工,因地層損失和土體擾動(dòng),必然引起地表變形。主要表現(xiàn)在盾
3、構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的前方和頂部產(chǎn)生微量的隆起,盾尾脫離以后,地表開始下沉,并形成一定寬度的沉降槽地帶,下沉的速率隨時(shí)間而逐漸衰減,且與盾構(gòu)所經(jīng)過的地層、施工工況和地表荷載等有密切的關(guān)系,并表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟町愋浴?對(duì)于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降預(yù)測,派克(Peck,1969年)提出了地層損失的概念和估算方法。在不排水條件下,沉槽體積等于地層損失的體積,地面沉降的橫向分布呈正態(tài)分布曲線,具體地面沉降量的估算公式如下: 注: 沉降量; 盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量; 沉降槽寬度系數(shù),是土壤條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。 按盾構(gòu)隧道正常施工時(shí)0.5%的地層損失率進(jìn)行計(jì)算,上行線隧道先行掘進(jìn)施工時(shí),最大地面沉降位
4、于上行線隧道中心正上方,其值為-10.62 mm,當(dāng)上行線隧道施工完成,下行線隧道施工對(duì)地面的影響累積后,其地面最大沉降位置出現(xiàn)在兩盾構(gòu)隧道施工的中間靠下行線盾構(gòu)側(cè)正上方,最大沉降值為-15.66 mm。 2.2 數(shù)值模擬分析 2.2.1 模型的建立 采用GTS有限元軟件,簡化為三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型尺寸為90m*90m*90m。在模型底部施加水平及豎直方向約束,在四周施加水平方向約束。 (1)盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5m,管片厚度為0.35m厚,管片寬度為1.2m,不考慮管片分塊情況,按整環(huán)考慮; (2)土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coloumb模型,襯砌采用板單元模擬; (3)加固方案:加固范圍
5、為隧道周邊2m,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Ps1.0 MPa; (4)荷載:盾構(gòu)頂推力取25103kN,注漿壓力取0.3MPa。 2.2.3計(jì)算結(jié)果 盾構(gòu)法施工時(shí),沿隧道縱向軸線所產(chǎn)生的地表變形,一般在盾構(gòu)前方約1倍埋深的距離內(nèi)地表開始隆起,在盾構(gòu)通過以后地表逐漸下沉,其下沉量隨時(shí)間逐步增加并最終趨于穩(wěn)定。加固后的上行線掘進(jìn)引起的地表沉降最大值為-10.10mm,不加固的地表沉降最大值為-14.90mm,減小48%,加固效果較為明顯。 圖6 上行線掘進(jìn)引起的地表沉降曲線圖 3 鐵路列車荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響 根據(jù)是否考慮鐵路列車荷載、以及是否加固組合了三種工況,計(jì)算不同工況下盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力。為簡化計(jì)算
6、,鐵路列車豎向靜活載按100kN/m取值。計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。 由表2可以看出,考慮鐵路列車荷載時(shí),不加固與加固后的最大彎矩分別比不考慮列車荷載時(shí)增大了11.9 %及2.5%,加固后的最大彎矩比不加固時(shí)減小12.5%。 4 處理措施及對(duì)策 為減小地鐵與北侖鐵路的相互擾動(dòng),可從兩點(diǎn)著手:一、采取措施減小列車動(dòng)荷載對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響,從外因減小盾構(gòu)管片的變形;二、加強(qiáng)管片的強(qiáng)度和剛度,從內(nèi)因提高抵抗變形的能力。 通過對(duì)盾構(gòu)周圍土體進(jìn)行加固,可均勻土層應(yīng)力分布,減少隧道與周圍土體之間的剛度差異,從而減小隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載以減小管片內(nèi)力,同時(shí)增加了土體抗力增強(qiáng)變形控制能力。 結(jié)合本工
7、程地質(zhì)情況、隧道覆土、荷載等各方面因素,確定采取如下措施: 4.1鐵路線路預(yù)加固 采用主動(dòng)加固結(jié)合扣軌加固方案。鐵路兩側(cè)采用高壓旋噴樁加固,旋噴樁之間為主加固區(qū),采用注漿加固;旋噴樁外側(cè)為次加固區(qū),采用壓密注漿加固。旋噴樁加固區(qū)自地面至隧道下方2 m,主、次加固區(qū)加固深度為隧道上、下方2 m。主加固區(qū)與次加固區(qū)之間在強(qiáng)度及剛度上要求逐漸降低,形成過渡。 圖4-1 鐵路線路預(yù)加固示意 加固區(qū)的主要注漿參數(shù):旋噴加固28d后,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Ps1.0 MPa;主加固區(qū),Ps1.0 MPa;次加固區(qū),Ps0.8 MPa。 4.2 增強(qiáng)管片 對(duì)鐵路影響范圍內(nèi)的隧道采用加強(qiáng)配筋的鋼筋混凝土管片。 4.3
8、 盾構(gòu)掘進(jìn)控制 1)在盾構(gòu)進(jìn)入之前,盡量將盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整至最佳,盾構(gòu)均衡勻速施工,同時(shí)盡量少做糾偏動(dòng)作,即使做糾偏動(dòng)作,幅度也不宜過大。 2)必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)切口平衡壓力及相關(guān)參數(shù),如推進(jìn)速度、總推力、出土量等,盡量減少土壓力的波動(dòng)。 3)加強(qiáng)同步注漿管理。嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量,通過同步注漿及時(shí)填筑建筑空隙,減少施工過程中的土體變形。 4)根據(jù)監(jiān)測情況,必要時(shí)進(jìn)行二次壁后注漿,并根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況隨時(shí)調(diào)整注漿量及注漿參數(shù),從而使地層變形量減至最小 4.4 盾構(gòu)穿越后安全措施 盾尾脫離線路后,對(duì)路基變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂。采取注漿和道碴抬道相結(jié)合的方法,調(diào)整路基面到規(guī)定標(biāo)高。同時(shí)由工務(wù)部門配合校正軌道各部幾何尺寸,待達(dá)到鐵路規(guī)范所規(guī)定的通車條件后,方可恢復(fù)正常行車。 參考文獻(xiàn): 1 陳昊.雙圓盾構(gòu)隧道地表沉降分析.上海交通大學(xué),2007,1 2 朱洪高,鄭宜楓,陳昊.雙圓盾構(gòu)隧道土體地表沉降特性.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,2.
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