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盾构隧道叠加段施工力学分析与施工技术研究

何剑光
(中交一公局厦门工程有限公司)
1 引言
    近几年我国地铁工程迅速发展,各大城市均规划并建设密度极大的地铁网,受限于城市交通规划的影响,地铁盾构区间经常存在上下叠加的隧道设计形式,从而造成了许多隧道叠加段施工的出现,不仅设计上需要全方位的考虑,施工过程中也带来了许多困难。近几年来,部分学者对叠加段盾构掘进及不同工况下的力学特性进行了分析及研究,主要内容有:盾构隧道施工三维数值模拟分析、盾构法下穿地下建(构)筑物三维数值模拟、叠加段数值。以往的研究主要针对施工过程中盾构机参数变化对隧道的影响,分析的参数主要为盾构推力、同步注浆量、开挖掌子面压力、刀盘扭矩、盾构机自重等,忽略了设计线型对隧道的影响。国内外多有盾构穿越既有建筑物的受力分析及施工技术研究,但对于叠加段盾构隧道的力学分析及施工技术研究并未有系统性的研究。本文依托厦门地铁2号线马銮西站马銮中心站盾构区间叠加段盾构隧道工程,综合考虑隧道叠加施工过程中的影响因素,采用三维数值模拟方式对隧道叠加段施工主要影响因素及施工技术进行了研究,对完善盾构隧道理论分析及保证叠加段盾构隧道的施工安全有极其重要的意义
2 近接隧道盾构掘进施工三维数值模拟方法
    在盾构施工过程中,土体的受力由推进油缸施加的荷载和驱动设备产生的扭矩组成。推进油缸施加的荷载由盾构机与周边地层的摩阻力F1及盾构机掌子面地层对推力的反作用力F2组成,F1及F2占整个推进油缸荷载的90%以上;驱动设备产生的扭矩荷载由三种荷载组成,分别为:刀盘边缘的土体摩阻扭矩T1、刀盘掌子面的摩阻扭矩T2、开挖过程中刀盘切削作用产生的地层反力扭矩T3计算过程中考虑盾构自重及切削后的地层自重。各荷载的计算公式如下所示:
    根据厦门地铁实际情况及公式计算结果,本次三维数值模拟各施工荷载取值如表1所示:
    利用midas-gtsnx模拟盾构施工的开挖阶段、注浆阶段、盾尾脱离管片阶段、地层固结沉降阶段的受力特点将盾构施工模拟为一环管片宽度的长度掘进施工,土体采用实体单元、管片为壳体单元,进行盾构叠加段数值模拟通过对三种盾构隧道设计类型进行模拟,包括盾构隧道左右线横断面位置不同、纵断面掘进参数不同及叠加段临时支护类型的不同进行比较,分析近接盾构隧道的施工力学特性,提出合适的施工技术。
3 叠加段盾构隧道施工力学特性
3.1横断面力学特性
    取左线隧道顶部覆土为1.5倍洞径,右线隧道相对左线处于不同角度和距离进行考虑,分别模拟水平平行、竖向叠加、斜向施工等三种工况不同距离条件下左右线盾构隧道施工的相互影响,盾构机直径为6.5m,每次开挖进尺为1.2m,简化盾构机荷载作用于此开挖进尺范围内。以左右线先上后先及先下后上两种施工顺序,本文模拟26种工况对盾构隧道的叠加段进行力学特性分析。三维数值模型的物理力学参数如表所示,计算工况如表所示。
    土体及混凝土的屈服破坏特性适用于摩尔-库伦屈服准则,故此次研究采用摩尔库伦屈服准则作为划分依据其屈服面方程表示为:
    三维模拟过程中,将开挖前的地层主应力带入式中,隧道施工完毕后,根据摩尔-库伦屈服准则对受力特性进行划分,当时,表示周围地层已经发生屈服,故盾构隧道左右线叠加段力学影响分区可划分为:①的区域认其为左右线相互无影响;②的区域,左右线施工影响较弱;③的区域,施工影响强,各工况的横断面力学特性划分如表所示。
    以此表绘制盾构隧道叠加段隧道强影响范围,如图所示。
3.2纵向力学特性
    对于横断面的力学特性,由于其在三维模拟时为静止状态,采用周围地层的土体是否屈服作为判断准则。纵向上模拟时为运动施工状态,故采用位移变化速率作为判断准则,位移也是施工中最关心的因素之一。根据监控量测标准,位移变化速率为1~3mm/d时,监控频率取1次/d;位移变化速率为0.5~1mm/d时,监控频率取1次/2d;位移变化速率为0.1~0.5mm/d时,监控频率取1次/5d。纵向的影响判断标准如表所示。
    模拟过程为:先施工单线,单线洞通后清零施工位移,再分析另一线施工过程中对前一线的位移影响,盾构施工速度为14.4m/d(12环/d),3种工况下的位移变化速率如图所示,叠加段力学特性如表所示。
4 叠加段盾构隧道施工技术
    盾构叠加段施工最大问题在于,后施工隧道对地层扰动大,容易造成先施工隧道的管片变形及隧道偏移等问题。故需要有一种兼顾安全及施工方便的技术对先施工隧道进行防护。常规盾构隧道叠加段施工防护方法有地层加固及临时型钢支护,前者施工成本高,后者不利于隧道的同步施工。近几年提出新的的临时台车支护技术,采用台车代替临时型钢进行支护,台车随盾构机同步运行,不仅节约成本,且便于施工。
4.1方案比选
    与传统施工工艺相比,采用临时洞内支撑台车作为洞内防护结构,该结构可保证隧道内运行电瓶车,且用钢量少、不占用施工进度关键线路,在成本及工期上有极大优势。两种技术如图6所示。施工方法对比分析见表6。
4.2技术方案
    利用洞内加固对上下叠行段之间的地层进行加固,削弱施工荷载对下部隧道的影响,辅以二次注浆对成型隧道进行二次防护,最后在后施工隧道掘进前,利用洞内支撑台车对影响范围内的先成型隧道管片进行防护,台车随后施工隧道掘进距离一起行走,保证先成型隧道的安全。施工流程为:区间左线始发、掘进→左线隧道洞内径向注浆→洞内台车支撑顶伸→区间右线掘进通过。
4.3三维数值模拟
    利用midas-gts对洞内注浆加固工况进行数值模拟计算,由图可见加固后,地表位移、管片竖向位移及管片最大主应力均有效减小,数值模拟结果表明采用工程桩隔离有效。
5 应用实例
    厦门地铁2号线马銮西站~马銮中心站区间长1051.808m。左线先行施工,施工100m后右线同步始发施工。隧道的埋深范围为5.82~19.41m。其中左AK3+587.924~左AK3+803.706及左AK4+515.706~左AK4+633.706为区间6号线小间距段,左AK3+803.706~左AK3+972.276为区间6号线交叉叠行段。采用横断面及纵向的力学特性分析结果进行区间进行分段,结果如图11所示。由图知,厦门地铁2号线马銮中心站~马銮西站区间隧道叠加段处于强影响范围内,必须采用一定措施对隧道进行防护,保证隧道的安全,该段盾构叠加段隧道施工采用以下几点:
    洞内后注浆加固,采用洞内径向注浆对地层进行加固,对先成型隧道进行防护;采用洞内支撑台车支撑防护先施工隧道,保证了管片的应力变形控制与可控范围内;两洞采取同步施工,至少保证两洞开挖面局里在10D范围之外。施工过程隧道位移及地面位移处于可控范围,施工安全可靠。
5 结语
    (1)盾构叠加段隧道力学特性研究中,横断面以开挖范围周边地层是否屈服作为判断准则、纵向以盾构位移变化速率作为判断准则,更有利于施工判断。
    (2)厦门地质条件下盾构叠加段施工中,横断面的影响范围在3D范围内,纵向影响范围在5D范围内。
    (3)采用地层径向加固+临时台车支护对先成型隧道进行防护,保证了两洞同时施工时的便利及隧道结构的安全,将力学特性分析与施工技术应用于厦门地铁2号线马銮中心站~马銮西站中,保证了施工的安全及经济性。
    参考文献:中国知网
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