穿江地铁隧道施工对堤防及隧道结构稳定性的影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:湖南省教育厅优秀青年基金项目()作者简介:肖志宏(),男,一级建造师,主要从事建筑工程方面的研究工作。:通讯作者:刘旭(),男,博士研究生,研究方向为隧道与地下工程。:穿江地铁隧道施工对堤防及隧道结构稳定性的影响肖志宏,刘思博,易宸,唐旺,蔡敏,刘筱钰,刘旭(湖南建工集团有限公司,湖南 长沙 ;长沙供水有限公司,湖南 长沙 ;湖南建投集团基础设施投资公司,湖南 长沙 ;中南林业科技大学,湖南 长沙 ;广西大学,广西 南宁 )摘要:为了评价穿江地铁隧道施工对堤防及隧道结构稳定性的影响,依托湖南长沙某下穿湘江堤防地铁隧道工程
2、,采用数值模拟方法探讨了不同开挖方式、洞室埋深和盾构掘进下穿江隧道对堤防变形、隧道围岩应力和管片位移的影响。研究结果表明:在隧道埋深 情况下,三种隧道施工工况下的堤顶最大沉降量均符合规范要求,且左、右线路管片最大变形量和洞水平收缩值均小于规范控制标准值,隧道结构较为稳定。采用先开挖左线至堤顶下方再开挖右线的施工方式可有效控制洞室围岩竖直位移,而且对水平方向位移影响较小;左洞贯通后再施工右线较左右隧道同时施工和先开挖左线至堤顶下方再开挖右线方案,洞室围岩应力偏大,对隧道结构稳定性不利。采用左右洞室同时施工或先开挖左线至堤顶下方再开挖右线的施工工艺能够有效提高隧道结构稳定性,该研究结果可为类似工程
3、提供参考。关键词:穿江隧道;隧道施工;堤防;稳定性;数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,;,;,):,:;地铁已成为城市化建设的重要标志,也是缓解城市交通拥堵的有效措施 。随地铁建设技术的发展,穿越特殊地层的地铁隧道日益增多,特别是在沿海、沿江地区,穿江隧道的建设不可避免 。穿江隧道具有不影响航运、不受天气影响、能作为防空设施等优势,近年来在穿江工程中的应用率逐年递增 。但在盾构穿越江河堤防的过程中会对周围土体产生扰动,引起地层变形和地表沉降,从而导致堤防失稳 。因此,开展穿江地铁隧道施工对堤防及隧道结构稳定性影响研究,对保障堤防防护区内人民生命及财产安全具有重要意义。
4、目前,国内外关于地铁隧道施工对堤防及隧道结构稳定性研究主要采用理论分析和数值模拟的方法。在理论分析方面:等 基于随机介质理论,采用极坐标变换和多子域积分法,推导了考虑盾构隧道盾构机滚动的土体变形的理论解。赵凯等 综合考虑大断面水工隧洞开挖影响,研究了水工隧洞下穿既有公路隧道的沉降计算方法。在数值模拟方面:等 采用数值模拟方法分析了上软下硬复杂地层条件下路堤超大直径()盾构隧道的变形特征和安全控制措施。曹磊等 建立了考虑水位骤降条件下的下伏隧道堤防模型,依托湘江某下伏隧道堤防工程,基于堤防边坡渗流原理,结合有限元应力计算,探讨了不同水位骤降速率下的浸润线情况,计算了堤防安全系数。张贵金等 采用数
5、值方法,分别对隧道的覆土厚度、隧道匝道出入口离堤防的距离、隧道主出入口与堤防的相对距离以及地下水等因素进行影响分析。上述文献表明,国内外学者采用不同研究手段在穿堤隧道对堤防安全影响研究方面取得了较为丰富的成果,为工程施工提供了一定的参考指导作用。然而,现有研究依然存在一些不足之处:现有研究主要采用半定量法进行计算,计算结果与实际存在一定偏差;针对穿江双线隧道施工,盾构开挖方式对堤防和隧道结构稳定性的影响研究不够深入。鉴于此,依托湖南长沙某下穿湘江堤防地铁工程,采用数值模拟方法构建三维数值模型,研究不同开挖方式、隧道埋深和盾构掘进下穿江隧道对堤防、隧道围岩和管片的影响,研究成果可为穿江隧道设计、
6、施工提供一定依据和参考。下伏地铁隧道堤防数值模型 模型建立以湖南长沙某下穿湘江地铁工程为例,采用 建立三维数值模型,如图 ()所示,共划分单元 个,节点 个。为消除边界条件影响,三维模型横向(方向)宽度取 、沿穿堤出入线区间线路方向(方向)长度取 ,竖直(方向)长度往隧道底下取 、向上按实际地形取至堤顶,三维模型底面尺寸长、宽、高为 。边界约束为模型顶部自由,前、后、左、右均为水平向约束,底面垂直向约束。根据圣维南原理 ,开挖区域外 倍洞跨距离外,开挖产生的位移和应力变化则减小至可忽略不计程度。出入段线区间隧道于里程 附近下穿堤防,根据实地情况和施工条件建模,如图 ()所示。地铁隧道洞径 ,施
7、工采用盾构循环,主要穿越层是中风化砾岩,隧道与明渠距离最小 ,隧道与堤防距离 。图 三维数值模型图 模型参数与本构模型模型中计算单元均采用实体单元,其中杂填土、中砂及中风化砾岩采用 模型;管片采用弹性模型,注浆层采用 单元模拟。相关材料参数结合现场施工实际,同时考虑最不利情况保守取值,具体参数见表 和表 。表 结构参数表类型弹性模量 重度()泊松比管片 注浆层 根据数值模拟分析基本原理和方法,将地层近似视为均匀连续介质,各层之间为连续接触。采用三维等参数单元进行模拟,其中结构单元仅考虑其水利与建筑工程学报第 卷弹性工作状态,围岩、加固单元按 材料设置,服从 屈服准则。表 围岩地层参数表类型重度
8、()弹性模量 泊松比内摩擦角()黏聚力 杂填土 中砂 中风化砾岩 计算工况考虑两个隧道先后施工顺序的三种工况,具体流程为:()工况 。在工况 中考虑盾构施工,下穿堤防。隧道开挖前,先平衡初始地应力及渗流场;然后对隧道开挖进行渗流分析,获得施工后的状态;再进行隧道衬砌布置后渗流分析,得到下穿完毕后围岩的应力与渗流状态。具体步骤如下:建立堤防及隧道结构的计算模型,固定静力边界,开始初始状态地应力场的平衡计算,获得开挖前的状态。设置每次开挖 为一个周期并改变隧道周边加固区域土体参数,模拟施作注浆加固和超前注浆加固过程。进行隧道开挖模拟,每开挖至下一个 时并做上个开挖周期管片安装。重复步骤与直至左洞隧
9、道贯通。开始对右洞进行盾构模拟,循环步骤与直至右洞贯通。()工况 。模型开挖前期步骤与工况 相同,初始状态地应力场平衡后,左右洞线同时施工开挖进尺取 ,具体步骤如下:步骤、同工况 。进行左右洞线同时施工隧道开挖模拟,每开挖至下一个 时并做上个开挖周期管片安装。重复步骤与直至左右洞隧道同时贯通。()工况 。模型开挖前期步骤与工况 相同,初始状态地应力场平衡后,左洞线先施工开挖进尺取 ,盾构施工掌子面到达堤防下时开始右洞线施工。具体步骤如下:步骤、同工况 。对左洞线进行隧道开挖模拟,每开挖至下一个 时并做上个开挖周期管片安装。重复步骤与直至左洞隧道盾构掌子面到达堤防下部时,开始右洞线施工。重复步骤
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