盾構(gòu)法與明挖法結(jié)合修建地鐵車站施工方案研究_圖文

1、西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文盾構(gòu)法與明挖法結(jié)合修建地鐵車站施工方案研究 姓名:蔣利明申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):橋梁與隧道工程指導(dǎo)教師:周曉軍20100501西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1頁(yè) 摘 要盾構(gòu)施工法以其施工對(duì)環(huán)境影響小、安全快速及適用范圍廣等特點(diǎn),已經(jīng)成為我 國(guó)城市地下鐵道修建中非常重要的施工方法。然而在實(shí)際的地鐵建設(shè)中,由于地鐵車 站之間的間距較小,盾構(gòu)法修建區(qū)間隧道的長(zhǎng)度較短,施工工期較短,就不可避免地 出現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間分散、盾構(gòu)設(shè)備利用率偏低的現(xiàn)象,從而增大工程成本。結(jié)合盾構(gòu)法擴(kuò) 挖修建地鐵車站能做到通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的長(zhǎng)距離應(yīng)用而產(chǎn)生規(guī)模效益解決上述問(wèn)題,從總 體上較大幅度地降低工程造價(jià)。

2、為此,本文提出了在已建成的盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上,結(jié)合 明挖法修建地鐵車站的施工方案。本文在綜合分析國(guó)外采用盾構(gòu)法修建地鐵車站的各種施工方法的基礎(chǔ)上,以成都 地鐵l號(hào)線孵化園車站地質(zhì)情況作為數(shù)值分析背景,進(jìn)行了盾構(gòu)法結(jié)合明挖法修建地 鐵車站的施工方案研究。研究?jī)?nèi)容如下:(1通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例,擬定地鐵車站結(jié)構(gòu)方案及尺寸,在此基礎(chǔ)上對(duì)盾 構(gòu)隧道管片進(jìn)行了管片分塊設(shè)計(jì);(2采用數(shù)值模擬的方法對(duì)擴(kuò)挖施工過(guò)程中地下連續(xù)墻的入土深度以及各輔助施 工措施進(jìn)行了研究,得出了地下連續(xù)墻的合理入土深度以及各輔助施工措施對(duì)擴(kuò)挖施 工的影響規(guī)律;(3對(duì)擬定的各施工方案進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析,得出了合理的施工方案。并在 此

3、施工方案的基礎(chǔ)上采用三維數(shù)值模擬的方法對(duì)施工過(guò)程中的力學(xué)行為進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)法;明挖法;地鐵車站;數(shù)值模擬西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第|頁(yè)AbstractThe distinguishing features of shield drvien method such as its small impact on the environment;safe and fast;and applicable to a wide range of situations,make it become the very important method of urban underground

4、railway construction.However,in the actual subway construction,due to the short distance between the subway station,the tunnel constructed by the shield method is shorter in the length with the shorter construction period.Inevitably,the phenomenon like shield interval dispersion and low utilization

5、rate of shield equipment would increase the cost of the project.Combined shield method to expand excavation with the construction of subway station could generate economies of scale to solve above problems by the longdistance applications of the shield machine.Then the proj ect cost Can be substanti

6、ally reduced in general.To this end,this thesis proposes a construction program based on the developed shield tunnel with combination of cut and COVer method of construction of subway station.Based on the comprehensive analysis of the foreign adoption of shield method on the subway station construct

7、ion,the thesis discusses the application of shield method combining cut and COVer method on the subway station construction,using the Chengdu Metro Line 1Fuhuayuan station as a numerical analysis background.The mainlystudy content are as follows:Through the analysis of domestic and international eng

8、ineering practice,the thesis develops a plan for subway station structure and size,and then designs the block segment for shield tunnel segment;Discusses the embedded depth of diaphragm wall and other supporting construction methods during expanding excavation,using numerical simulaiton.The author o

9、btains the law of impact of reasonable embedded depth of the diaphragm wall and the auxiliary construction measures on the expanding excavation construction;The thesis analyzes the proposedprograms applied twodimensional numerical simulation,and men shows the reasonable construction scheme.The autho

10、r also studies the mechanical behavior during the construction process using threedimensional numerical simulation.Keywords:shield method,cut and COVer method,subway station,numerical simulation西南交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全

11、部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1.保密口,在 年解密后適用本授權(quán)書(shū);2.不保密0使用本授權(quán)書(shū)。(請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“v”日期:劭.正乞/西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文主要工作(貢獻(xiàn)聲明本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻(xiàn)如下:(1對(duì)盾構(gòu)法結(jié)合明挖法修建地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析,擬定本文研究的車 站主體結(jié)構(gòu)方案和尺寸并對(duì)盾構(gòu)管片提出分塊方式。(2對(duì)擴(kuò)挖施工中地下連續(xù)墻入土深度進(jìn)行研究,得出其合理入土深度。對(duì)輔助 施工措施進(jìn)行分析,得出其各自單獨(dú)作用時(shí)對(duì)擴(kuò)挖施工的影響。(3擬定具體擴(kuò)挖施工方案,通過(guò)二維數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析研

12、究,確定了合 理擴(kuò)挖方案與施工中的危險(xiǎn)工況。針對(duì)合理擴(kuò)案方案進(jìn)行三維數(shù)值分析比較,并提出 安全性評(píng)價(jià)。本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成 果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均己在文中作了明確說(shuō)明。 本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責(zé)任將由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:藕易1講 日期:2,o/O.1;.工第1章緒 論1.1盾構(gòu)法隧道施工的歷史盾構(gòu)施工技術(shù)自1823年由布魯諾爾首創(chuàng)于英國(guó)倫敦的泰晤土河的水底隧道 工程以來(lái),已有170余年的歷史。在這170余年的風(fēng)風(fēng)雨

13、雨中,經(jīng)過(guò)幾代人的 努力,盾構(gòu)法已從一種只能在極少數(shù)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中才見(jiàn)應(yīng)用的特殊技術(shù),發(fā) 展成為在發(fā)達(dá)圜家中極為普通,在發(fā)展中國(guó)家中亦逐漸得到應(yīng)用的隧道施工技 術(shù)。據(jù)說(shuō)最早發(fā)明盾構(gòu)法的思路是來(lái)自發(fā)明者的一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn),英國(guó)的布魯 諾爾發(fā)現(xiàn)船的木板中,有一種蛀蟲(chóng)鉆出孔道,并用它自己分泌的液體覆涂在孔 壁上。1818年布魯諾爾在蛀蟲(chóng)鉆孔的啟示下,最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的 設(shè)想,并且在英國(guó)取得了該施工法的專利。1825年,布魯諾爾用他自己的想法 制成盾構(gòu),并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。這條道路隧道的斷面(11.4m ×6.8m相當(dāng)大,施工中遇到了坍方和水淹,加上隧道的損壞,當(dāng)時(shí)處于

14、難于進(jìn) 展的狀態(tài),由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法,隧道施工中兩次被淹, 后來(lái)在東倫敦地下鐵道公司的合作下,經(jīng)過(guò)對(duì)盾構(gòu)施工的改進(jìn),用氣壓輔助施 工,花了18年的時(shí)間才于1843年完成了全長(zhǎng)458m的第一條盾構(gòu)法隧道。 1865年巴爾勞首次采用圓形盾構(gòu),并用鑄鐵管片作為地下隧道襯砌。1869年,他用圓形盾構(gòu)在泰晤土河底下建成了外徑為2.21m的隧道。在盾構(gòu)穿越飽 和含水地層時(shí),施加壓縮空氣以防止涌水的氣壓法最先是在1830年由口切蘭斯 爵士(Lord Coehrance發(fā)明的。1874年,在英國(guó)倫敦地下鐵道南線的粘土和含水 砂礫地層中建造內(nèi)徑為3.12m的隧道時(shí),格雷塞德(Henry Gr

15、eathead(18441896 綜合了以往所有盾構(gòu)施工和氣壓法的技術(shù)特點(diǎn),較完整地提出了氣壓盾構(gòu)法的 施工工藝,并且首創(chuàng)了在盾尾后面的襯砌外圍環(huán)形空隙中壓漿的施工方法,為 盾構(gòu)法發(fā)展起了重大的推動(dòng)作用。1880"-1890年間,在美國(guó)和加拿大間的圣克 萊河下用盾構(gòu)法建成一條直徑6.4111,長(zhǎng)1800余m的水底鐵路隧道。二十世紀(jì) 初,盾構(gòu)施工法己在美、英、德、蘇、法等國(guó)開(kāi)始推廣。30"40年代在這些國(guó) 家已成功地使用盾構(gòu)建成內(nèi)徑自3.O9.5m的多條地下鐵道及過(guò)河公路隧道。僅 在美國(guó)紐約就采用氣壓法建成了19條重要的水底隧道,盾構(gòu)施工的范圍很廣泛, 有公路隧道、地下鐵道、

16、上下水道以及其他市政公用設(shè)施管道等。蘇聯(lián)40年代初開(kāi)始使用直徑為6.0"-'9.5m的盾構(gòu)先后在莫斯科、列寧格勒等市修建地下鐵道 的區(qū)間隧道及車站【231。1.1。1國(guó)外盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展概述從20世紀(jì)60年代起,盾構(gòu)法在日本得到迅速發(fā)展,除了大量在東京、大 阪、名古屋等城市的地下鐵道建設(shè)中外,更多地是用在下水道等市政公用設(shè)施 管道建設(shè)中。70年代,日本及聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)針對(duì)在城市建設(shè)區(qū)的松軟含水地層 中由于盾構(gòu)施工所引起的地表沉陷、預(yù)制高精度鋼筋混凝土襯砌和接縫防水等 技術(shù)問(wèn)題,研制了各種新型的襯砌和防水技術(shù)及局部氣壓式、泥水加壓式和土 壓平衡式等新型盾構(gòu)及相應(yīng)的工藝和配套設(shè)備。19

17、93年建成的、連接英法兩國(guó)的英吉利海峽隧道,全長(zhǎng)48.5km,海底段長(zhǎng)37.5km,隧道最深處在海平面下100m。 國(guó)一側(cè)共用6臺(tái)盾構(gòu),3臺(tái)施工岸邊段, 這條隧道全部采用盾構(gòu)法技術(shù)施工,英 3臺(tái)施工海底段,施工海底段的盾構(gòu)要向海峽中單向推進(jìn)21.2km,與從法國(guó)側(cè)向英國(guó)方向推來(lái)的盾構(gòu)對(duì)接。法國(guó)側(cè)共 用6臺(tái)盾構(gòu),2臺(tái)施工岸邊段,3臺(tái)施工海底段。海峽隧道由2條外徑8.6m的 單線鐵路隧道及1條外徑為5.6m米的輔助隧道組成。由于海底段最大深度達(dá) lOOm,因此無(wú)論盾構(gòu)機(jī)械還是預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)均要承受10個(gè)大氣西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第3頁(yè)壓的水壓力,又由于單向推進(jìn)21.2km,盾

18、構(gòu)推進(jìn)速度必須達(dá)到月進(jìn)1000rn的 速度才能在3年左右的時(shí)間內(nèi)完成,因此盾構(gòu)的構(gòu)造及其后續(xù)設(shè)備均須采用高 質(zhì)量的耐磨耗及腐蝕的材料。所以該隧道的修建標(biāo)志著盾構(gòu)施工技術(shù)的最新水 平。近年來(lái),日本把機(jī)械式盾構(gòu)作了改進(jìn),研制出了用加壓泥漿穩(wěn)定開(kāi)挖面的 泥水加壓盾構(gòu)和利用開(kāi)挖出的土體作平衡開(kāi)挖面的土壓平衡盾構(gòu)。(1我國(guó)早期的隧道掘進(jìn)機(jī)(220世紀(jì)60、70年代掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用(380年代我國(guó)隧道掘進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展1980年,上海市進(jìn)行了地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段施工,研制了一臺(tái)直徑6.41m的 刀盤式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī),后改為網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī),在淤泥質(zhì)粘土地層中掘進(jìn) 隧道1230m。1985年,上海延安東路

19、越江隧道工程1476m圓形主隧道采用上海 隧道股份設(shè)計(jì)、江南造船廠制造的直徑11.3m網(wǎng)格型水力機(jī)械出土盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。 1985年,上海芙蓉江路排水隧道工程引進(jìn)一臺(tái)日本川崎重工制造的直徑4.33m 小刀盤土壓盾構(gòu),掘進(jìn)1500m,該盾構(gòu)具有機(jī)械化切削和螺旋機(jī)出土功能,施 工效率高,對(duì)地面影響小的特點(diǎn)。1987年上海隧道股份研制成功了我國(guó)第一臺(tái) 巾4.35m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī),用于市南站過(guò)江電纜隧道工程,穿越黃浦西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第4頁(yè) 曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼!皇曼|I曼曼曼曼曼曼曼寰蔓曼曼曼曼量曼曼皇!曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼!蔓!曼!曼皇江底粉砂層、掘進(jìn)長(zhǎng)度583

20、m,技術(shù)成果達(dá)到80年代國(guó)際選進(jìn)水平,并獲得1990年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。(490年代后我國(guó)隧道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀1.2面臨的問(wèn)題及及解決思路雖然盾構(gòu)工法有著非常大的優(yōu)勢(shì),但在地鐵建設(shè)中由于盾構(gòu)設(shè)備利用率偏 低、盾構(gòu)區(qū)間分散、盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)、調(diào)頭和轉(zhuǎn)場(chǎng)等次數(shù)過(guò)多以及大量的非正常 掘進(jìn)工期過(guò)多和額外成本較多等問(wèn)題的出現(xiàn),成為了許多專家對(duì)盾構(gòu)法的施工西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第5頁(yè) 速度快、工程成本低的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生質(zhì)疑的最為直接的原因8】?？梢钥吹?由于地鐵 車站間的間距(以北京地鐵為例,約2km左右較小【l 21,導(dǎo)致盾構(gòu)法修建區(qū)間隧 道的長(zhǎng)度較短,施工工期較短;而地鐵車站施工工期較長(zhǎng)(一般為

21、22.5年,兩 者工期的不相匹配要求盾構(gòu)區(qū)間相鄰車站的站端要為盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)和到達(dá)或過(guò) 站提供相應(yīng)的條件。這要求在盾構(gòu)施工組織編制和整條線路工程籌劃時(shí)必須協(xié) 調(diào)好兩者的關(guān)系,這種協(xié)調(diào)也就極大地影響著整個(gè)工程的進(jìn)度。因此,為解決目前國(guó)內(nèi)區(qū)間盾構(gòu)施工和車站施工工期矛盾的問(wèn)題,尋求盾 構(gòu)法在我國(guó)地鐵工程中大規(guī)模應(yīng)用的突破口。在此一些學(xué)者研究提出了如下的 設(shè)想方案【16J:(1整條線路先修車站,再推區(qū)間的方案:即待整條線路上的車站全部通過(guò) 底板加寬和加深的方式修建完工后,能夠提供盾構(gòu)拖拉過(guò)站的條件下,利用盾 構(gòu)機(jī)拖拉過(guò)站的方式完成盾構(gòu)區(qū)間的施工。(2整條線路先推區(qū)間,再在條件成熟的位置建造車站的方案:即

22、首先利用 盾構(gòu)法將整條線路上的區(qū)間修建完畢,而后再逐個(gè)落實(shí)預(yù)留車站周圍的條件, 采用多種方式修建預(yù)留的地鐵車站。以上兩種方案均可以最大限度地解決車站與盾構(gòu)區(qū)間施工的相互干擾,使 得區(qū)間工法的選擇不再成為其他專業(yè)的邊界條件;避免了周圍建筑物和物業(yè)管 理以及地下管線對(duì)盾構(gòu)區(qū)間施工的影響;可以實(shí)現(xiàn)在有條件的區(qū)間首選盾構(gòu)法 的設(shè)計(jì)思路,確保了盾構(gòu)區(qū)間最大程度的連續(xù)性,充分發(fā)揮盾構(gòu)法施工速度快 和長(zhǎng)距離掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì);減少了盾構(gòu)機(jī)投入的數(shù)量、盾構(gòu)井的建設(shè)數(shù)量以及盾構(gòu) 機(jī)拆裝次數(shù),從而提高盾構(gòu)設(shè)備的利用率,增加其使用壽命,降低建設(shè)成本, 提高盾構(gòu)法施工的綜合經(jīng)濟(jì)效益。然而第一種解決方案過(guò)于理想化,因?yàn)檐囌臼┕?/p>

23、受到諸多因素的影響,往 往因?yàn)榈孛娼ㄖ锏牟疬w和交通疏解及地下管線處理的難以協(xié)調(diào),使得車站工 期得不到保證,這樣就會(huì)導(dǎo)致全線的施工工期得不到保證,而且全線所有車站 的底板加寬和加深增加了過(guò)多的額外工程造價(jià),因此從工程實(shí)際的角度來(lái)看, 該方案可行性不高;第二種方案使得整條線路的施工效率可能達(dá)到最高。原因 在于區(qū)間施工有條件以最快的速度完成,即待盾構(gòu)區(qū)間貫通后,可以采用保留 大部分管片、僅在管片上開(kāi)洞提供乘客上下車的條件下,再暗挖或明挖拓展地 鐵車站的方式。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第6頁(yè) 1.3國(guó)內(nèi)外結(jié)合盾構(gòu)法修建地鐵車站技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)外結(jié)合盾構(gòu)法修建地鐵車站【62324】的時(shí)間比較早,主要集

24、中為結(jié)合暗擴(kuò)法 施工,大致可分為以下幾種方法:(1盾構(gòu)法與橫向通道結(jié)合建造地鐵車站該類型車站主要是由兩個(gè)或三個(gè)并列的圓形隧道通過(guò)橫通道組成地鐵車 站,其中對(duì)于客流量較小的車站,可采用由兩個(gè)并列的圓形隧道組成側(cè)式站臺(tái) 車站,這是最簡(jiǎn)單的一種盾構(gòu)車站。如圖1.1。圖1.1倫敦某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面對(duì)于中等客流量的車站,可以采用由三個(gè)并列的圓形隧道組成三拱塔柱式 車站,這種形式的車站在前蘇聯(lián)的深埋地鐵中采用較多。與上述由兩個(gè)并列的 圓形隧道組成的車站一樣,它們的施工難點(diǎn)都在于橫通道的設(shè)計(jì)與施工。如圖 1.2。圖1.2基輔某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7頁(yè)lL 1_la =I曼蔓舅

25、曼皇曼曼 (2盾構(gòu)與半盾構(gòu)法結(jié)合建造地鐵車站此種方法即是先用兩臺(tái)盾構(gòu)平行開(kāi)挖兩旁側(cè)隧道,然后在一臺(tái)半盾構(gòu)的掩 護(hù)之下掘進(jìn)車站中間站廳部分。這種形式的車站也被稱之為眼鏡型車站,是一 種典型的島式站臺(tái)車站,乘客從車站兩端的斜隧道或豎井進(jìn)入站臺(tái),站臺(tái)寬度 應(yīng)滿足客流集散的要求,一般不小于lOm。這種類型的車站在前蘇聯(lián)地下鐵道 中應(yīng)用的較多。如圖1.3。圖I-3莫斯科某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(3盾構(gòu)法與礦山法結(jié)合建造地鐵車站該方法即采用盾構(gòu)先行貫通車站行車隧道,然后采用礦山法擴(kuò)挖兩行車隧 道之間的部分。圖1.4為圣彼得堡某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。L纊 :? 擴(kuò)忒1警 庭 一桫。 祭 馘 。、矽 . 蕊 f莩

26、Q 匙 A 。1650.卜、 /i I罟 u、 :. 7/86186 鋸 f . 孔?。 勃Q 夕 3 十, 渺 。 如D口%.是 鄉(xiāng)必 心 ,j 、少 、<=_二/迥.1860. . 4553L4553.偈60282618326圖1-4圣彼得堡某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(4盾構(gòu)與托梁法結(jié)合建造地鐵車站 該方法即采用車站盾構(gòu)首先貫通車站行車隧道,而后在隧道內(nèi)修建立柱,西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第8頁(yè)從兩側(cè)立柱頂部向行車隧道之間的地層中壓入托梁,在托梁的支撐下進(jìn)行上部 土體的開(kāi)挖和管片的拆除,立?，F(xiàn)澆車站頂部結(jié)構(gòu),然后開(kāi)挖下部土體和管片 的拆除并施做下部結(jié)構(gòu)。圖1.5為托梁法典型斷面結(jié)構(gòu)。

27、圖1.5德國(guó)漢堡某車站典型斷面圖(5新型盾構(gòu)車站施工方法從20世紀(jì)8090年代起,以日本為代表,為滿足在城市繁華地區(qū)以及一些 特殊工程的施工要求,大量的新型盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,這些新技術(shù)主要反 映在施工斷面上從常規(guī)的圓形向2圓形、3圓形、方形、矩形及復(fù)合斷面發(fā)展; 施工技術(shù)上表現(xiàn)在出洞技術(shù)的改進(jìn)、長(zhǎng)距離施工及球體盾構(gòu)、擴(kuò)徑盾構(gòu)等施工 機(jī)械的應(yīng)用研究:隧道襯砌技術(shù)上主要圍繞管片組裝的自動(dòng)化、高速化、制造 費(fèi)用的降低、特殊荷載的承受等目的而展開(kāi)。其中已用于或正在研究開(kāi)發(fā)有望 用于地鐵車站施工的盾構(gòu)技術(shù)主要有三圓形斷面盾構(gòu)(圖1.6和擴(kuò)徑盾構(gòu)(圖 1.7。圖1-6日本白金臺(tái)車站耋塑圣塑奎蘭至圭至耋

28、圭耋堡耋塞 呈:墨圖1.7擴(kuò)太盾構(gòu)隧道形成的車站13.2國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀關(guān)于采用擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建地鐵車站上法的研究,我們國(guó)家的起步比較晚, 雖然近年來(lái)已經(jīng)有相關(guān)的實(shí)例經(jīng)驗(yàn),但大多數(shù)都還是在探索當(dāng)中。我國(guó)是個(gè)人 口大國(guó),人口過(guò)百萬(wàn)的城市非常多,城市軌道交通的大規(guī)模興建已經(jīng)刻不容緩。 對(duì)于這個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題,許多的專家與學(xué)者都紛紛進(jìn)行了相關(guān)的探索性研究, 為這個(gè)問(wèn)題的解決做了大量的技術(shù)儲(chǔ)備。結(jié)合我國(guó)目前地下工程的施工水平, 經(jīng)過(guò)專家論證,提出了一些比較安全可行的施工方案¨3”】:暗挖兩連拱方案(圖 1.8:暗挖三條平等隧道方案(圖19;暗挖四條平行隧道方案(圖110:暗挖三 連拱方案(囤1

29、.11等。幽1.8兩連拱方案西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第10頁(yè) 曼皇曼曼曼曼!曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼉曼曼曼曼曼曼鼉曼鼉曼!量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼曼!皇!曼曼曼!曼曼皇曼曼曼曼曼巴IIIIII II。曼曼曼!曼曼曼曼曼曼皇曼 圖1-9三條平行隧道方案圖1.10四條平行隧道方案圖1.1l三連拱方案1.4本文的研究?jī)?nèi)容、方法及目的結(jié)合國(guó)外相關(guān)案例分析可知,配合盾構(gòu)法修建地鐵車站除了少數(shù)利用了明 挖法之外,其他大多都是運(yùn)用了暗挖法施工。然而在施工場(chǎng)地允許的條件,明 挖法便可發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)與施工便捷的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)目前還處于發(fā)展中國(guó)家水 平,故而在資金投入極大的地鐵建設(shè)中,節(jié)約資源、提高施工速度

30、等方面,適西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第11頁(yè) 皇曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼉曼曼曼曼量曼曼皇I ;一 一N II曼曼曼曼舅曼!曼曼皇曼篡 時(shí)的利用明挖法是很有現(xiàn)實(shí)意義的。本文將立足于盾構(gòu)法結(jié)合明挖法修建地鐵 車站的施工過(guò)程,對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)做出相應(yīng)的分析研究。本文以成都地鐵1號(hào)線孵化園車站為工程地質(zhì)背景,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)法 結(jié)合明挖法這一施工方法的研究,擬定本文研究的車站結(jié)構(gòu)方案、主體結(jié)構(gòu)尺 寸并對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行分塊;對(duì)實(shí)際擴(kuò)挖施工中的各工序進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬, 分析施工過(guò)程中的力學(xué)行為規(guī)律。(1在明挖擴(kuò)挖車站施工過(guò)程中,地下連續(xù)墻的合理入土深度以及各種輔助 旌工措

31、旌對(duì)盾構(gòu)管片的影響;(2對(duì)擬定的擴(kuò)挖方案進(jìn)行模擬分析,確立合理的擴(kuò)挖方案以及在施工過(guò)程 中的危險(xiǎn)工況,并對(duì)車站擴(kuò)挖施工作出安全性評(píng)價(jià)與建議。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第12頁(yè) 第2章明挖法擴(kuò)挖地鐵車站結(jié)構(gòu)方案研究在緒論中已經(jīng)訴及國(guó)外多種在已建盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上拓展為地鐵車站的實(shí)例 與工法,然而絕大部分均為暗挖工法。這是因?yàn)殡S著城市軌道交通的快速發(fā)展 和城市密集化程度的加劇、人們對(duì)地鐵施工所引起的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越重視,在 城市內(nèi)采用明挖法修建地鐵車站的可能性會(huì)比較小,然而在地形、埋深等條件 合適的開(kāi)闊地帶,明挖法有著其更加明顯的優(yōu)勢(shì),比如提高施工速度,減小資 金投入等方面。而且我國(guó)正處于社會(huì)主義

32、初級(jí)階段,在如此高昂的地鐵建設(shè)投 入中,研究這種工法就更具有其時(shí)代的意義。地鐵車站的設(shè)計(jì)是城市地鐵設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵,地鐵站的設(shè)計(jì)要受各種既有條 件的限制而選擇不同的方案,一旦決定了車站的施工方案后,結(jié)構(gòu)類型的選擇 便成為最重要的問(wèn)題,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類型不僅影響到車站的功能,而且影響到車站 的工期和造價(jià)。2.1明挖法擴(kuò)挖地鐵車站結(jié)構(gòu)方案依據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程與對(duì)比國(guó)外同類工程實(shí)例,國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者提出了 以下幾種明挖法擴(kuò)挖車站的結(jié)構(gòu)形式171。見(jiàn)圖2.1圖2.2。幾 n(a23m線間距 (b15m線間距圖2.1明挖法擴(kuò)挖塔柱式車站斷面圖西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第13頁(yè) 曼蔓皇曼蔓曼篡曼蔓皇曼曼曼曼蔓皇

33、笪曼璺曼!量曼曼曼曼曼鼉I一一一.,IIIo鼉曼曼皇 (aOm側(cè)站臺(tái) (b1.7m側(cè)站臺(tái)(c12.5m側(cè)站臺(tái)圖2-2明挖法擴(kuò)挖立柱式車站斷面圖(15m線間距比較塔柱式和立柱式兩種車站結(jié)構(gòu)形式【F71,可以看出:西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第14頁(yè)(4對(duì)比明挖拓展的塔柱式車站和立柱式車站結(jié)構(gòu)形式,建筑效果方面,在 線間距較小的情況下,由于塔柱式車站中站臺(tái)塔柱之間的凈距較小,運(yùn)營(yíng)期間 可能會(huì)造成上下車人流沖突,建筑空間的使用效果不如后者。工程造價(jià)方面, 由于前者采用圍護(hù)樁的基坑支護(hù)形式,在拓展車站過(guò)程中,需要破除部分鉆孔 樁,造成了較大的廢棄工程量,造價(jià)相對(duì)較高;而后者基坑采用土釘墻放坡開(kāi) 挖

34、,工程造價(jià)較低。拓展施工工程中,前者由于鉆孔樁的保護(hù),盾構(gòu)隧道的側(cè) 移相對(duì)較小;而后者必須有足夠的內(nèi)支撐體系來(lái)確保較小的盾構(gòu)隧道側(cè)移,尤 其是盾構(gòu)隧道頂部與上部土釘墻支護(hù)的接觸部位的側(cè)移。施工難度方面,前者 在拓展車站過(guò)程中,采用了破除部分鉆孔樁,暗挖拓展施工橫通道的方式,難 度較大、工作條件差,施工質(zhì)量也難以保證;而后者只要內(nèi)支撐體系合理,施 工難度相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較小的。除上述兩種結(jié)構(gòu)形式外,國(guó)內(nèi)還有學(xué)者提出一種結(jié)合明挖法“廢棄已建盾 構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站”的方案【291,與塔柱式車站方案(盾構(gòu)隧道置于明挖結(jié)構(gòu)外 相比較,稱這種擴(kuò)挖方案為“內(nèi)置明挖法”方案(盾構(gòu)隧道置于明挖結(jié)構(gòu)內(nèi)。見(jiàn) 圖23。該

35、方案的特點(diǎn)為:(1建筑布置簡(jiǎn)單,內(nèi)支撐配合盾構(gòu)隧道內(nèi)桁架支撐分步開(kāi)挖,拆除管片, 既保證殘余的管環(huán)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,又要保證車站擴(kuò)挖作業(yè)的安全。(2車站外包盾構(gòu)管片,車站寬度較常規(guī)大;需要待盾構(gòu)隧道貫通后才能施 工站臺(tái)層并拆除管片,施工影響大。(3車站端墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜先于盾構(gòu)通過(guò)前施工。先施工車站兩端頭的圍護(hù)結(jié) 構(gòu),盾構(gòu)按正常的進(jìn)站方式掘進(jìn),穿切已施工的兩端頭墻(圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻,車站擴(kuò) 挖后再做接口處理。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第15頁(yè)圖2.3內(nèi)置明挖法擴(kuò)挖車站斷面圖2.2盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)由于采用明擴(kuò)法擴(kuò)挖地鐵車站的工法需求,盾構(gòu)管片需要部分或全部拆除, 因此在車站段的盾構(gòu)管片需要做不同于區(qū)間段的

36、特殊設(shè)計(jì)?；镜脑瓌t有以下 幾點(diǎn):(1明挖車站段管片與區(qū)間盾構(gòu)隧道管片之間拼裝方式的銜接。(2部分管片拆除后,剩余管片與主體結(jié)構(gòu)連接處的管片材料選擇及連接方 式。(3管片切割和拆除的可操作性。(4特殊管片制作的難度、可性行及經(jīng)濟(jì)性。盾構(gòu)隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)存在通縫和錯(cuò)縫兩種不同的拼裝方式【14】,如圖 2.4。目前,國(guó)內(nèi)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道建設(shè)中除上海普遍采用通縫拼裝方式外,其 他城市如廣州、深圳、北京、南京等地普遍采用錯(cuò)縫拼裝方式。國(guó)外無(wú)論是歐 美等地還是日本一般也采用錯(cuò)縫拼裝。從應(yīng)用地層條件的角度出發(fā),錯(cuò)縫式拼 裝多用于軟弱和較軟弱地層,而通縫式拼裝多用于地質(zhì)條件較好的地層。就拼西南交通大學(xué)碩士

37、研究生學(xué)位論文 第16頁(yè)裝方式對(duì)管片結(jié)構(gòu)剛度和受力影響角度而言,錯(cuò)縫式管片拼裝可以通過(guò)鄰接管 片體對(duì)管片環(huán)承載薄弱部位(接頭的剛度產(chǎn)生縱向加強(qiáng)效應(yīng),從而達(dá)到提高盾構(gòu) 隧道的整體剛度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性,有利于結(jié)構(gòu)的正常使用等目的,但由此 所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和管片接頭數(shù)量增加將對(duì)結(jié)構(gòu)的整體防水造成影響。通縫式 拼裝具有拼裝迅速,施工效率高,方便結(jié)構(gòu)防水等優(yōu)點(diǎn),但管片環(huán)整體剛度較 低,變形量大,易對(duì)隧道的安全運(yùn)營(yíng)造成影響。(a錯(cuò)縫拼裝 (b通縫拼裝圖2.4盾構(gòu)管片拼裝方式在結(jié)合明挖法擴(kuò)挖地鐵車站中,如果車站段的盾構(gòu)管片仍然采用與區(qū)間隧 道一樣的錯(cuò)縫拼裝方式,一方面可以減少區(qū)間管片與車站管片拼裝方式不同

38、所 帶來(lái)的過(guò)渡銜接問(wèn)題,另一方面由于車站段的管片環(huán)在車站擴(kuò)挖過(guò)程中需要拆 除部分管片,這樣錯(cuò)縫拼裝就會(huì)引起相鄰兩環(huán)所切割和拆除的管片塊是不一樣 的,為特殊管片塊的設(shè)計(jì)和施工都帶來(lái)了不必要的麻煩。因此車站部位的管片 采用通縫拼裝的方式。盾構(gòu)隧道裝配式襯砌是由預(yù)制鋼筋混凝土管片通過(guò)縱、橫向螺栓在各類類 接頭處聯(lián)結(jié)而成,為了保證隧道接頭端面受力的均勻分布,減緩端面制造和施 工誤差所引起的應(yīng)力集中,在管片內(nèi)側(cè)設(shè)置軟木受力襯墊;為了提高隧道的防 水性能,在管片靠近土體側(cè)設(shè)置彈性密封墊,在管片環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)置防水充填物。 盾構(gòu)隧道獨(dú)特的接頭斷面形式使得管片接頭力學(xué)特性更加復(fù)雜,且沿管片環(huán)徑 向變化很大,這一問(wèn)題

39、一直處于研究之中。在工程實(shí)際中,一般根據(jù)計(jì)算過(guò)程中對(duì)管片接頭的不同力學(xué)處理方式以及 對(duì)管片接頭剛度、縱向螺栓內(nèi)力傳遞和外荷載分布形式的不同假設(shè),盾構(gòu)隧道 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可主要分為慣用法、修正慣用法、多鉸圓環(huán)法和梁.彈簧模型 法等四種方法。我國(guó)主要采用(修正慣用法或在依據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用 工程類比法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。而國(guó)外主要采用多鉸圓環(huán)法或梁.彈簧模型法對(duì)盾構(gòu) 隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第17頁(yè) 皇舅曼曼!曼呂曼II ._lJ Im B . _I; ;il;II I毫曼曼曼慣用法計(jì)算過(guò)程中假設(shè)管片環(huán)是與管片體彎曲剛度相等的圓環(huán),不考慮接 頭所引起的管片環(huán)局部剛

40、度降低。慣用法計(jì)算過(guò)程中假設(shè)垂直方向地層抗力為 均布荷載,水平方向地層抗力為自襯砌環(huán)頂部向左右45。135。分布的均變?nèi)切?荷載。慣用法最早提出于1960年日本JSCE的隧道工程研討會(huì),并在日本得到 廣泛應(yīng)用【3J。修正慣用計(jì)算法是在慣用計(jì)算法的基礎(chǔ)上引入了彎曲剛度有效率叩(叩1 和彎矩提高率善,以襯砌環(huán)的整環(huán)剛度降低來(lái)代表管片接頭所引起的整體承載能 力削弱,管片環(huán)是具有qEI剛度的均質(zhì)圓環(huán)?？紤]到管片環(huán)向接頭存在鉸的部分 功能,將通過(guò)環(huán)間連接螺栓向相鄰管片傳遞彎矩M,對(duì)錯(cuò)縫拼裝管片內(nèi)力進(jìn)行 重分配,修正慣用法在計(jì)算過(guò)程中引入了彎矩提高率,主截面設(shè)計(jì)彎矩 (1+4M,接頭設(shè)計(jì)彎矩(14M。修

41、正慣用法計(jì)算所選用參數(shù)主要根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng) 驗(yàn)取定,基計(jì)算荷載系統(tǒng)與慣用法相同,見(jiàn)圖2.5所示?？紤]環(huán)間剪切阻力的修 正慣用法接頭處的彎矩傳遞效應(yīng),見(jiàn)圖2-6所示。P隧道I 縱I 向Iq2rrrr幾1r1rw2=W1+G圖2-5(修正慣用法計(jì)算模型q斗二M一一7彩卜飛斗一1/-“ /M=M,+M。 卜+一M一一夥卜_LL一。 圖2-6修正慣用法環(huán)間接頭彎矩傳遞西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第18頁(yè) 2.3本文計(jì)劃研究的結(jié)構(gòu)方案由于明挖法擴(kuò)挖車站立柱式方案,即圖2-2(c,在北京地鐵十號(hào)線三元橋車 站已經(jīng)有過(guò)試驗(yàn)段施工的實(shí)踐。故本文將重點(diǎn)研究明挖法擴(kuò)挖車站塔柱式方案, 選用23m線間距,即圖2.1

42、(a所示。相關(guān)截面尺寸見(jiàn)圖2.7。圖2.7本文研究方案車站斷面圖/ram根據(jù)管片設(shè)計(jì)原則,考慮到部分管片拆除時(shí)的施工便利,在本次設(shè)計(jì)中車 站段管片采用對(duì)稱的六塊式分塊方案,具體分塊方案見(jiàn)圖2.8。圖2.8中為左隧 道分塊方案,右側(cè)隧道鏡像即可。管片4、4和BI、展為標(biāo)準(zhǔn)塊,管片G、c2為 插入塊。在拆除部分管片施工時(shí),對(duì)管片G、c2直接拆除即可,從而避免了對(duì) 管片進(jìn)行切割操作所引起的擾動(dòng)。管片外徑取為6.2m,內(nèi)徑5.4m,厚度為0.4m?？紤]管片接頭對(duì)管片結(jié)構(gòu)整 體抗彎剛度的影響,結(jié)合一些專家學(xué)者利用日本修正慣用法計(jì)算的研究成果【l鍆, 采用等效剛度原則來(lái)模擬。本次車站盾構(gòu)隧道的采用通縫拼裝

43、,取剛度折減系 數(shù)r/=0.4,彎矩增大系數(shù)毒=o。l,軸力、剪力和變形增大系數(shù)均為0。圖2.8盾構(gòu)管片分塊方案(左隧道2.4本文研究的工程背景由于結(jié)合明挖法擴(kuò)挖地鐵車站在國(guó)內(nèi)外的實(shí)例均很少,因此本文采用成都 地鐵l號(hào)線孵化園車站的地質(zhì)情況作為數(shù)值模擬分析該工法的工程背景。根據(jù)鉆孔揭露,在場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系土層,下伏白堊系上統(tǒng)灌口組紫 紅色泥巖。從上至下分述如下:(1層人工填土:分(1.1雜填土和(1.2素填土。(3.4一1稍密卵石:粒徑大于20mm的卵石含量約為55.60%,卵石排列混亂, 大部分不接觸。分布于卵石層下部。(3.4一2中密卵石:粒徑大于20mm的卵石含量約為60.70%,卵

44、石排列混亂, 部分接觸。(5-3中風(fēng)化泥巖(W2:巖質(zhì)較硬,巖面較新鮮,巖體結(jié)構(gòu)基本未被破壞, 巖體被節(jié)理、裂隙分割成塊狀,構(gòu)造層理較明顯。鉆孔巖芯多呈短柱狀,少量 長(zhǎng)柱狀及碎塊狀。項(xiàng)板埋深13.8014.56m,未揭穿。車站所在場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3.1:本站無(wú)地表水系流過(guò)。根據(jù)鉆孔揭露,場(chǎng)區(qū)范圍分布的上更新統(tǒng)(Q3含泥砂礫卵石層(3.4為地下 水主要含水層,其補(bǔ)給源主要為大氣降水和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,水位隨季節(jié) 性波動(dòng)。卵石含水層項(xiàng)板埋深6.60"-"8.20m,底板埋深14.1615.1m,厚度為 6.60"-8.20m,地下水位埋深6.847.2

45、0m含水較豐富。場(chǎng)地地下水具埋藏淺、季節(jié)性變化明顯的特點(diǎn)。7、8、9月份為豐水期,11、 12、1月份為枯水期,8月份地下水位埋藏最淺。歷史最高水位(即抗浮設(shè)計(jì)水位 約為2.Om,標(biāo)高為488.50m;地下水位年變幅約為1"-2.5m。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第21頁(yè) 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼!蘭!曼曼曼曼曼曼皇曼苧曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼!曼曼曼皇曼曼!皇曼曼曼曼曼曼-=II-!曼蔓皇 場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無(wú)腐蝕性, 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。場(chǎng)地內(nèi)特殊性巖土為弱膨脹土。表3.1巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表土的

46、地層 巖土名 時(shí)代一容重。天然含水孔 凝聚 計(jì)算 靜止基床系數(shù)鉆孔灌注 量,隙 力直 摩擦 側(cè)壓 樁極限摩 與成比, 剪一 角r 力系(Mpa/m一阻力,代號(hào)一 稱.、 數(shù).因rY#輔o ei Cp 擊. 毛 垂直. 水平; 0 (KN/m', (%, (kPa (9一 Kw Kh.-la. (1-2-填土。 Q4鳴 17。 20.0。 0.79, 10一 沁 O。6 6i 3r ,(3-1+ 粘土.Q3缸1 19.5 20.7 0.62650。 16一 O 4&30, 25 60。 一1一 (硬.(3-1一 粉質(zhì)粘土. Q3旭1+.119.5, 25.9 0.77。 30。

47、18, 0.43, 3 25。 60.-一2一(可,(3-2, 粉土, Q3fEl+.119.5。-26.9, 0.80520。, 25 0.6.-20, 15r 40.(3-3一細(xì)砂。 Q3缸1“. 18.5(18, 22.1一 |。 k 29+, O.5 10一 6, 30一 -2;(3-4一 卵石土+Q3地1“. 21(20一 k |。 k39-0.47。 100一 70, 120.-一1.n (稍密一(3-4. 卵石土。tQ3“1. 22(21一 t l。 |一 42,0.43。 :2踟 168。 140.,一2. (中密.一(3-4一 卵石土,Q3“1+.1。 23(22, c c

48、|。45。 O.42二 388 38肌 16m一2。 (密實(shí)。中等風(fēng) 23.2|。 。 700., 50二 |i 320 300。, (5-3, K2lp化泥巖一第3章明挖法擴(kuò)挖地鐵車站輔助施工措施研究本章主要工作是采用有限差分程序?qū)γ魍诜〝U(kuò)挖車站施工中輔助施工措施 做了模擬研究。具體內(nèi)容為:首先介紹了有限差分法的計(jì)算原理;然后分別分 析了各種輔助施工措施在擴(kuò)挖過(guò)程中所產(chǎn)生的影響,其中包括盾構(gòu)管片內(nèi)支撐 的形式、基坑底部土體加固厚度以及隧道周邊土體加固參數(shù)的研究。通過(guò)研究 比較,對(duì)各種輔助施工措施單獨(dú)作用時(shí)有一個(gè)定性的認(rèn)識(shí),從而為施工方案的 比選提供一個(gè)參考。3.1有限差分?jǐn)?shù)值分析原理有限差分

49、法即三維快速拉格朗日法,這是一種基于三維顯式有限差分法的 數(shù)值分析方法,它將計(jì)算區(qū)域劃分為若干四面體單元,每個(gè)單元在給定的邊界 條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系,如果單元應(yīng)力使得材料屈服或產(chǎn)生 塑性流動(dòng),則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形,這種算法非常適合于模擬 大變形問(wèn)題,在巖土和地下工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。有限差分法采用最大不 平衡力來(lái)表示計(jì)算過(guò)程中的收斂,如果單元的最大不平衡力隨著時(shí)步增加而逐 漸趨于極小值,則計(jì)算是穩(wěn)定的,否則,計(jì)算就是不穩(wěn)定的【49501。有限差分的理論公式從概忿上類似于Otter提出的動(dòng)態(tài)松弛法,采用任恿形 狀的網(wǎng)格、大應(yīng)變和不同的阻尼,按照Wilkins提出的

50、差分格式進(jìn)行計(jì)算。三角 形網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的差分方程是由高斯散度定理的一般形式推導(dǎo)得出的,其形式如下: L吩他=Jf缸aS:dA (3-1式中:J,一一封閉曲面邊界周邊的積分;傷一一曲面S的單位法向向量; 廠一一標(biāo)量、向量或張量;玉一一坐標(biāo)向量;ds一一增量弧長(zhǎng);L一一對(duì)表面 積的積分。定義在區(qū)域面積彳上梯度的均值廠如下:=i舭f豇af dA (3-2將式(3.2代入(3.1!|jL:=去L礙他 限3,對(duì)于一個(gè)三角形子單元,式(3.3j!|jL有限差分形式可變?yōu)?=去(仍厶 p4,As是三角形一邊的長(zhǎng)度,對(duì)三邊求和,(/取一邊的平均值。用每一邊速度矢量的均值代替了f,利用式(3-4,將一個(gè)區(qū)域的應(yīng)變速

51、率島 用節(jié)點(diǎn)速度表示,公式如下:考蘭土2As(嘭町+礦ih叢(3.5其中:a和b是三角形邊界的兩個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)。如果節(jié)點(diǎn)之間的速率呈線性變 化,則式(3.5與精確積分導(dǎo)出的表達(dá)式是一致的。已知速度場(chǎng),對(duì)第一四面體利用差分公式,可得應(yīng)變率張量:毛=一萬(wàn)1掣X-二._t刀y叫帕sm(3-6式中:當(dāng)應(yīng)變率張量;_、v:一一分別為節(jié)點(diǎn)l在i、J方向的速度;耐n、 ,z(,一一分別為四面體l面在i、J方向的單位法矢量;S7一一四面體l面的面積; 礦一一四面體體積;i、.,一一笛卡爾參考坐標(biāo)軸,f、J=1,2,3。每個(gè)四面體的應(yīng)力增量由下式計(jì)算:%=嘞+ (3-7式中:%四面體應(yīng)力sa-量:唣一四面體轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力

52、增量;一一 修正應(yīng)力增量。 四面體局部節(jié)點(diǎn)l的不平衡力可由應(yīng)力和體力計(jì)算:2言%,z;nSt+i1鵬礦(3-8所有共有整體節(jié)點(diǎn)l的四面體在整體節(jié)點(diǎn)1處的不平衡力為其總和,另外再 加上外力(集中力和面力的等效節(jié)點(diǎn)力:鼻d=B】d+只d (3.9西南交通大學(xué)石頁(yè)士研究生學(xué)位論文 第24頁(yè) 不平衡力用于判斷系統(tǒng)是否達(dá)到平衡。局部非黏滯阻尼由下式求出:礦=一a伊Isigng(3-lO式中:口一阻尼系數(shù);鼻小一一i方向歸一化的不平衡力;嵋,>一一i方向 歸一化的速度。在考慮阻尼和不平衡力情況下可得新的節(jié)點(diǎn)速度:釅O+址=¨dO一了At+萬(wàn)A石t(,+彳7 (311從而可獲得節(jié)點(diǎn)的位移:“

53、j7+f:酊b(f+聽(tīng)7O+iAt(3-12對(duì)大變形模式,節(jié)點(diǎn)的位置將發(fā)生改變,因而導(dǎo)致網(wǎng)格形狀的變化,對(duì)于 整體節(jié)點(diǎn)l,其新的位置由下式?jīng)Q定:70+f:7,0+nf7+_A-t(3-133.2模型的建立車站隧道為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物,在不考慮縱向施工效應(yīng)條件下發(fā)球平面應(yīng)變模式, 故本章只考慮平面分析過(guò)程。(1模型邊界:計(jì)算模型中,左右兩側(cè)邊界選為2D左右,車站結(jié)構(gòu)下邊界選為2H左右, 其中D為車站結(jié)構(gòu)的總跨度,H為車站結(jié)構(gòu)的總高度。兩盾構(gòu)隧道線間距為23m, 隧項(xiàng)埋深8.5m,車站頂板埋深2.5m,總高為12.5m,總寬為14m。因此,模型 邊界選取為120m×40m。地表附加荷載取為20k

54、Pa。(2本構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)單元情況:因?yàn)榈貙又饕獮橥馏w,故采用摩爾.庫(kù)侖本構(gòu)模型來(lái)模擬地層。地下連續(xù)墻 采用彈性本構(gòu)模型模擬。土體加固通過(guò)改變相應(yīng)單元的材料參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。 內(nèi)支撐、車站結(jié)構(gòu)以及基坑開(kāi)擴(kuò)后的橫撐均采用梁結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬。隧道管片 采用殼結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬,不考慮壁后注漿與應(yīng)力釋放。管片實(shí)際上,盾構(gòu)法施 工中,由于開(kāi)挖后盾構(gòu)管片施作得很迅速,因此壁后注漿對(duì)管片內(nèi)力的影響不 明顯,而且不考慮此項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果也偏安全。(3材料參數(shù):盾構(gòu)管片采用C50混凝土,考慮接頭對(duì)管片結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度的影響,按西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第25頁(yè)照日本修正慣用法原理,采用等效剛度的方法來(lái)模擬。依據(jù)本文第

55、3章的分析 結(jié)果,管片分塊方案見(jiàn)圖2-8,通縫拼裝,取剛度折減系數(shù)H=0.4,彎矩增大系 數(shù)呲01軸力、薊力和變形增大系數(shù)均為0。車站結(jié)構(gòu)除中柱采用C45混凝土外,其余部分均采用C30混凝土。地下連續(xù)墻用C25混凝土。盾構(gòu)管片內(nèi)支撐與基坑橫撐采用Q34S空心圓形鋼管模擬,其中內(nèi)支撐尺寸 為外徑D=200mm,厚度t=14ram:基坑橫撐為D=600mm,t;16ram e所有材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表31。(4模型情況:在有限差分程序中采用縱向?yàn)閘m的三維模型來(lái)模擬二維問(wèn)題。模型的下邊 界施加豎向約束.左右兩側(cè)邊界施加水平方向約束,前后施加縱向約束。車站 模型網(wǎng)格見(jiàn)圖3一l。整個(gè)車站平面共劃分成53

56、61個(gè)單元,10972個(gè)節(jié)點(diǎn)。車站施 工的模擬過(guò)程見(jiàn)表3-2。表3-1地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)a車站整體網(wǎng)格要壹鑾鎏查謄翌圭彗耋圭蘭譬篁蘭 謄:!至黼目; 一jf強(qiáng) -l lil 長(zhǎng)=_l_-I 墨i l o*2:i 匿 鼉豐 P I=l 匿ir三至 ; 一 I 三壬 l :l 。l 一3_ L._三三一 l _二. E:j-:。 葺 劃件 (b模型中各區(qū)域位置說(shuō)明(左右對(duì)稱削3-1車站模型網(wǎng)格表3-2車站施T模擬過(guò)程S1:計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng) s2:右隧道開(kāi)挖井支護(hù)s3:左隧道開(kāi)挖并直護(hù) s4:施作地下連續(xù)墻、內(nèi)支掉、加固土體要要鑾耋鑾:堡圭暨圣蘭嚳竺簍耋 蓍:圣 s5:開(kāi)挖第一層土體4m,加第

57、一道橫撐 s6:開(kāi)挖第二層土體3m,加第二道橫撐西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第28頁(yè) 詈曼曼曼!曼曼!曼曼曼曼曼曼罡皇曼曼曼曼曼曼曼!曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼!曼 I|_.II舅曼皇曼皇曼量曼!毫3.3地下連續(xù)墻入土深度的影響研究地下連續(xù)墻是基坑開(kāi)挖中非常重要的一項(xiàng)工程,因?yàn)樗粌H關(guān)系著基坑開(kāi) 挖過(guò)程的安全因素,在車站施工完成后,也會(huì)作為車站永久結(jié)構(gòu)的一部分與車 站共同受力、協(xié)同工作。連續(xù)墻過(guò)小的入土深度會(huì)導(dǎo)致?lián)跬两Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、變 形過(guò)大及穩(wěn)定不足。輕則導(dǎo)致變形過(guò)大,影響正常施工,重則導(dǎo)致“踢腳"擋 土結(jié)構(gòu)破壞、基坑失穩(wěn)危及周圍環(huán)境【471。過(guò)大的入土深度使得工程造價(jià)提高, 所以合理的入土深度應(yīng)是連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所必須要關(guān)注的問(wèn)題。許多具體工程與文獻(xiàn)資料都指出,當(dāng)連續(xù)墻的入土深度大于0.91.OH44】 的時(shí)候,繼續(xù)增加墻體入土深度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形的