综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道影响分析.pdf
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1、第41卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 2 7 5-0 8市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.275综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道影响分析周传涛(中铁二十局集团第四工程有限公司,山东青岛2 6 6 0 6 1)摘要:以江苏省徐州市泉润大道综合管廊工程为背景,建立了三维数值模型,分别以不同施工应力模拟变量分析了综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道的影响规律,探讨了综合管廊施工中的大型机械行驶以及存放集中应力
2、对地铁隧道管片的影响,提出了详细的监测方案,对结构的预警值和限制值提出了一定的要求,最后对综合管廊上穿地铁隧道施工进行了模拟计算,并与实测数据进行了对比分析,验证了数值模拟的可靠性。关键词:综合管廊;施工荷载;邻近地铁隧道;数值模拟中图分类号:U456Analysis of the Influence of Construction Load of the Utility Tunnel on(China Railway 20th Bureau Group 4th Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266061,China)Abstract:Based on the ut
3、ility tunnel project of Quanrun Avenue in Xuzhou City,Jiangsu Province,a 3D numericalmodel was established.The influence law of the construction load on the adjacent subway tunnel was analyzed bydifferent construction stress simulation variables.The influence of large machinery running and stored co
4、ncentratedstress on the tube segments of the subway tunnel was discussed during the construction.A detailed monitoringscheme was proposed.Some requirements were put forward for the early warning value and limit value of the struc-ture.Finally,a simulation calculation was carried out for the construc
5、tion of the subway tunnel crossing the integratedpipe corridor,and the reliability of the numerical simulation is verified by comparing with the measured data.Key words:utility tunnel;construction load;adjacent to subway tunnel;numerical simulation文献标志码:AAdjacent SubwayTunnelsZhou Chuantao近年来,随着城市建设
6、和轨道交通的快速发展,综合管廊的建设不可避免地对邻近地铁隧道产生不利影响。深基坑开挖和坑内建筑物的施工将产生复杂的卸荷和加载作用,从而改变邻近地铁隧道周围土体的应力场和位移场,最终导致隧道变形。因此,研究综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道变形的影响非常有必要。很多学者对其进行了相关研究,杨卓等1以邻近地铁深基坑某高层建筑为背景,采用收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 7作者简介:周传涛,男,高级工程师,学士,主要从事隧道以及地下工程方面的施工和管理工作。引文格式:周传涛.综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道影响分析.市政技术,2 0 2 3,41(8):2 7 5-2 8 2.(ZHOUCT.Anal
7、ysisofthe influenceofconstruction load of the utility tunnel on adjacent subway tunnels J.Journal of municipal technology,2023,41(8):275-282.)Plaxis有限元软件分析了考虑位移场、渗流场情况下的深基坑开挖对邻近高层建筑的影响,为深基坑开挖对周边环境的影响分析以及类似工程提供了参考。吕高乐等2 以某软土地区邻近地铁车站以及盾构隧道的双侧深基坑工程为背景,采用ABAQUS软件对双侧深基坑施工进行了数值模拟,分析了施工过程中地铁车站以及盾构隧道变形情况和变形
8、规律。刘伟3、谢晓冬等4、姜叶翔等5、陈涛等6 研究了基坑276开挖对邻近地铁隧道结构的安全性影响,为实际工程提供了一定的参考。戴宏伟等7、郭海峰等8、吴起飞9、万蓓菁等10 研究了施工荷载对邻近地铁隧道的影响,分析了在施工过程中地铁隧道的变形机理。由于已有研究关于基坑开挖前机械运作等施工荷载对地铁隧道的影响规律分析较为少见,因此笔者以江苏省徐州市泉润大道综合管廊工程为例,运用FLAC3D有限差分分析方法,对综合管廊施工时大型施工机械作业施工荷载对邻近既有地铁隧道结构受力和变形的影响进行分析,探讨大型机械行驶以及存放集中应力对管片的影响规律,以确保综合管廊现场施工的安全可靠,相关结论可为类似工
9、程提供参考。综合管廊Journal of Municipal Technology综合管廊地铁平行(垂直开挖)第41卷1工程简介1.1工程概况泉润大道综合管廊工程位于江苏省徐州市泉山区,全长约为0.6 8 km,均采用双舱形式综合管廊。综合管廊内纳人热力管线、电力电缆、通信光纤和给水管线以及预留管。A0+103一A0+170段综合段管廊上穿地铁隧道区间和出入段线,与出入段线竖向净距为4m,与地铁隧道区间竖向净距为6.6 m(见图1);A0+170A0+336段综合管廊与地铁隧道区间平行布置,水平净距约为5.0 m,竖向净距约为5.4m;A0+336一A0+654段综合管廊呈V形与地铁隧道区间进
10、行2 次交叉,与地铁隧道区间竖向净距约为6 8 m。综合管廊地铁交叉点(放坡开挖)综合管廊地铁交叉点(放坡开挖)图1综合管廊与地铁隧道区间平面关系示意图综合管廊起点地铁路杏区间段综合管廊地铁交叉点地铁出人段(放坡开挖)综合管廊地铁交叉点(垂直开挖)Fig.1 The plan relationship between the utility tunnel and the subway tunnel section1.2地质和水文概况根据岩土工程勘察报告可知,该工程所属地区土层自上至下分别为全新世杂填土层、粉土层、淤泥质黏土层、粉质黏土层、黏土层和灰岩层,杂填土多为房屋和道路基底填土,以黏性土为
11、主,夹少量碎块石,均一性差,多为欠压密土,结构疏松,具有强度低、压缩性高、荷重易变形等特点,工程性质差。该工程位于淮河流域的北部,属于暖温带半湿润东亚季风气候区。四季分明,夏季炎热多雨,冬季干燥严寒。年平均气温为14,年平均相对湿度为6 9%,多年平均降水量为8 0 2 mm。主导风向为E、NEE风,年平均风速为2.4m/s。冻土深度约为0.2 4m。地下水埋深为0.7 0 4.8 0 m,相应地下水位为35.1538.07m。该水位年变化幅度为1.0 3.0 m。近年来,富水期最高水位为自然地面下约0.5m。环境类别为类,地下水和地基土对混凝土结构有微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋有微蚀性
12、。2数值模拟2.1村模型建立笔者采用Rhino6软件建立综合管廊模型,通过Griddle2.0插件对模型进行网格划分优化,将网格文件导入FLAC3D软件进行数值模拟。综合管廊模型整体尺寸为30 0 mx600mx50m,共37 17 8 3个单元。对综合管廊模型中地层参数进行简化,从地表向下分别设置为杂填土、粉土、黏土、灰岩,厚度分别为2、10、13、2 5m。综合管廊有限元模型见图2。综合管廊与既有地铁隧道空间位置关系见图3。综合管廊模型中综合舱尺寸为5.0 mx3.0m,电力舱尺寸为2.0 mx3.0m。模型在垂直于隧道延伸方向两侧边界约束x第8 期方向位移,平行隧道延伸方向两侧边界约束方
13、向位移,底部边界约束z方向位移,地表为自由边界。综合管廊局部模型见图4。土层开挖土体出人段线左线区间不右线区间50杂填土(2 m)粉土(10 m)粘土(13m)灰岩(2 5m)图2 综合管廊有限元模型(m)Fig.2 The utility tunnel finite element model综合管廊左线区间右线区间图3综合管廊与既有地铁隧道空间位置关系图Fig.3 The spatial position between the utility tunnel and theexisting subway tunnel电力舱:2.0 3.0图4综合管廊局部模型(m)Fig.4 Local m
14、odel of the utility tunnel2.2施工工况设计与监测点布置为研究综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道的影响,采用控制变量法,通过改变荷载大小以及水平距离来研究单一变量的影响。综合管廊与地铁隧道存在3处平行交叉影响地段,因此在综合管廊与地铁隧道垂直交叉位置(A0+103一A0+138)施加施工荷载1,在综合管廊与地铁隧道平行位置(A0+170一A0+336)施加施工荷载2,在综合管廊与地铁隧道倾斜交叉位置(A0+396一A0+462)施加施工荷载3。施工荷载施加位置见图5。不同设备质量对应施加荷载见表1。周传涛:综合管廊施工荷载对邻近地铁隧道影响分析施工荷载3施工荷载2a)施工
15、荷载施加位置32300b)施工荷载对地铁隧道扰动范围图5施工荷载位置示意图地下连续墙出人段线加固土综合舱:5.0 3.0277施工荷载1Fig.5 Construction load position表1不同设备质量对应施加荷载Tab.1 Different equipment masses corresponding to loads设备质量/751252503755001250笔者主要监测地铁隧道出入段线和左线区间的竖向位移和水平位移,在出入段线和左线区间正上方以及右侧方分别布置1、2、3、4号监测点,1、3号监测点监测竖向位移,2、4号监测点监测水平位移。施工荷载监测点布置以及移动方向见
16、图6。施工荷载移动方向9.412.1出人段线右线区间a)施工荷载1处占用面积/m2525252525251号12号13施加荷载/kPa30501001502005003号左线4号区间278Z13.7右线区间图6 施工荷载监测点布置以及移动方向示意图(m)Fig.6 Construction load monitoring point layout and movingdirectiondiagram2.3模型参数确定综合管廊模型中的岩土体采用Mohr-Coulomb本构(M-C本构)模型模拟,支护结构采用弹性本构模型模拟,赋予实体单元属性。根据工程地质资料和相关规范,地层参数取值见表2,结构材
17、料参数取值见表3。表2 地层参数Tab.2Formation parameters弹性模量/泊松密度/黏聚力/内摩擦角/厚度/地层MPa杂填土层25黏土层30粉土层60灰岩层18:0003楼模型计算结果分析3.1施工荷载1处3.1.1不同施工荷载大小施工荷载1处地铁隧道出入段线距地表9.42 m,Journal of Municipal Technology施工荷载移动方向5.01号13.8出人段线12号右线区间第41卷表3结构材料参数Tab.3 Structural material parameters结构材料综合管廊结构C40混凝土围护桩C35混凝土地铁管片C50混凝土3号出人段二衬C3
18、5混凝土左线4号区间16.5b)施工荷载2 处施工荷载移动方向3.01号出人段线12号17.5c)施工荷载3处比(kg/m)0.3018000.2818300.2518700.172.7009 000.0弹性模型/MPa泊松比计算准则32.5000.2315000.2355000.2315000.2加固土普通硅酸盐水泥左、右线区间距地表12.1m。在地铁隧道出人段线正上方分别施加30、50、10 0、2 0 0、50 0 kPa的施工荷载,不同施工荷载下地铁隧道出入段线竖向位移变化见图7。施工荷载/kPa01000-23号二-4左线4号区间kPa22.024.525.5弹性本构弹性本构弹性本构
19、弹性本构500000.3200300-8-10L图7 不同施工荷载下地铁隧道出人段线竖向位移变化图(施工荷载1处)Fig.7 Vertical displacement changing of subway tunnel accesssection under different construction loads(Construction load 1)从图7 可以看出,随着施工荷载的增大,地铁隧道出人段线竖向位移逐渐增大。当施工荷载为100kPa时,出入段线竖向位移为0.14mm,位移较小;当施工荷载为2 0 0 kPa时,出人段线竖向位移为1.53mm,施工荷载对出人段线产生扰动影响;
20、当施工荷载为40 0 kPa时,出人段线竖向位移为6.6 7 mm,此时出人段线无法承受该施工荷载。3.1.2不同施工荷载位置m232241027133525M-C本构4005007施工荷载作用在地铁隧道出入段线正上方,并以5、10、15、2 0、2 5、30、35m的距离逐步向左线区间移动,不同施工荷载位置地铁隧道位移变化见图8。从图8 a)可以看出,随着施工荷载逐渐远离地铁隧道出人段线上方,出入段线竖向位移逐渐减小。当施工荷载距地铁隧道出人段线水平距离为10 15m时,施工荷载作用于地铁隧道左线区间正上方,导致此时左线区间产生较大的竖向位移。但由于地铁隧道左线区间埋深大于出入段线,因此左线
21、区间第8 期00-1-2-3-4-5-6-7-8-9-102.01.51.0wu/0.50.0-0.5-1.0-1.5 L图8 不同施工荷载位置地铁隧道位移变化图(施工荷载1处)Fig.8 Displacement changing of subway tunnel at differentconstruction load locations(Construction load 1)竖向位移基本小于出人段线,左线区间竖向最大位移为2.7 9 mm。当施工荷载距地铁隧道出入段线水平距离为2 5m时,此时出入段线和左线区间的竖向位移均较小,施工荷载对地铁隧道的影响减弱。从图8 b)可以看出,随着
22、施工荷载逐渐远离地铁隧道出入段线上方,施工荷载对地铁隧道的影响逐渐减弱。当施工荷载距地铁隧道出入段线水平距离为10 m时,地铁隧道出人段线和左线区间水平位移分别为-1.2 4、1.40mm,位移较大;当施工荷载距地铁隧道出人段线水平距离为2 5m时,地铁隧道出人段线和左线区间水平位移分别为-0.2 7、-0.0 4mm,位移较小,此时施工荷载对地铁隧道的影响较小,可忽略不计。3.2施工荷载2 处3.2.1不同施工荷载大小施工荷载2 处地铁隧道出人段线距地表5.0 0 m,左、右线区间距地表13.8 0 m。在地铁隧道出入段线正上方分别施加30、50、10 0、150、2 0 0 kPa的施工荷
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