軟土地層近距離上穿既有隧道變形的數(shù)值模擬_圖文

1、收稿日期 :2007-03-19作者簡介 :孫玉永 (1980- , 男 , 河南省新鄉(xiāng)市人 , 博士研究生 , 目前主要從事盾構(gòu)法隧道施工數(shù)值模擬方面的研究 . 文章編號 :1005-0523(2007 04-0036-03軟土地層近距離上穿既有隧道變形的數(shù)值模擬孫玉永 , 宋天田 , 周順華(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 上海 200331摘要 :針對上海市某地鐵隧道近距離上穿運(yùn)營中的地鐵二號線 , 二者最小凈間距為 1. 33m , 通過三維數(shù)值模擬得到在新隧道推 進(jìn)過程中 , 地鐵二號線和地表都表現(xiàn)為隆起 , 二號線最大隆起量為 7. 29mm , 地表最大隆起量為 1

2、6mm ; 地鐵二號線的變形分為 沉降 、 隆起及穩(wěn)定三個(gè)階段等結(jié)論 .關(guān) 鍵 詞 :盾構(gòu)隧道 ; 上穿 ; 變形 ; 三維有限元 ; 數(shù)值模擬 中圖分類號 :TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A1 引言, . 然而在城市繁 華地區(qū)或一些特定地段 , 隨著地下空間的開發(fā)和隧 道網(wǎng)絡(luò)不斷完善 , 隧道相互穿越的距離將會越來越 近 , 這給已建隧道保護(hù)帶來了極大的困難 . 近年來 , 國內(nèi)外對疊交隧道方面的研究比較多 . 文獻(xiàn) 14結(jié) 合實(shí)際工程 , 研究了相鄰隧道施工的相互影響過程 及其控制措施 , 得出了一些對施工具有指導(dǎo)性作用 的結(jié)論 .以上研究都是針對“ 下穿” 既有隧道的情況 , 對 于 “ 上穿”

3、 的情況則研究的很少 , 而在 “ 上穿” 時(shí) , 既有 隧道表現(xiàn)為隆起 , 且新建隧道埋深肯定較淺 , 可能對 地表影響比較 , 這給變形控制提出了新的要求 , 因此 有必要對其進(jìn)行研究 .2該軌道交通曲阜路站人民廣場站區(qū)間 , 隧道從運(yùn)營中的地鐵二號線上部斜向穿越 , 兩隧道的最 小凈距為 1. 33m , 新建隧道的上覆土厚度為 2. 95m , 兩隧道的平面圖及剖面圖如圖 1所示 .本工程所處的土層地質(zhì)條件如下 : 層填土 , 上 部含較多碎石 , 磚塊混凝土等雜物 , 下部以粘土為 主 ; 1-1層粉質(zhì)粘土 , 下部土質(zhì)較軟 ; 層淤泥質(zhì) 粉質(zhì)粘土 , 局部夾多量薄層粉砂 , 土質(zhì)不

4、均勻 ; 層 淤泥質(zhì)粘土 , 夾少量薄層粉砂 , 下部夾多量貝殼碎 屑 , 土質(zhì)軟 , 呈流塑狀 , 具有較高的壓縮性 , 新建隧道 主要是穿越該層 ; 1層粉質(zhì)粘土 , 局部夾粘土 ; 3層粉質(zhì)粘土 , 夾薄層粉砂 , 土質(zhì)均勻 . 各土層的力學(xué) 參數(shù)見表 1所示 .表 1 地層的力學(xué)參數(shù)層號 含水量 W (% 天然重度 (K N/m 3孔隙比 e液限W L (%塑限 W P (%直剪固快峰值強(qiáng)度 內(nèi)聚力 C (kPa 內(nèi)摩擦角 (°壓縮模量(MPa 靜止側(cè)壓 力系數(shù) (3 1-138. 72. 731. 0736. 720. 917214. 160. 4656. 02. 741.

5、 5437. 519. 81413. 51. 710. 50 65. 12. 761. 814521. 81311. 51. 680. 59 133. 52. 720. 9733. 119. 310273. 980. 51 3312. 720. 9332. 818. 91429. 57. 130. 50第 24卷第 4期 2007年 8月華 東 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Journal of East China Jiaotong University V ol. 24 N o. 4Aug. ,2007 圖 1 疊交隧道的相互位置關(guān)系圖3 三維有限元仿真分析3. 1 計(jì)算模型隧道推進(jìn)是一個(gè)三維問

6、題 , 要直接模擬隧道推進(jìn)產(chǎn)生的三維效應(yīng)是非常困難的 , 為此 , 本文根據(jù)文 獻(xiàn) 5, 化為均質(zhì) 、 等厚的等代層 , 和注漿情況等 , 厚度為 20cm.由于該線與地鐵二號線的夾角為 75°, 因此在模 型建立中取為正交以簡化計(jì)算 . 有限元模型整體尺 寸為 :沿盾構(gòu)隧道推進(jìn)方向 (縱向 尺寸為 62. 6m , 橫向尺寸為 62. 6m , 深度尺寸為 50m. 在疊交區(qū)域 進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化 , 劃分過的有限元模型如圖 2所示 . 為了更好了模擬實(shí)際盾構(gòu)推進(jìn)過程 , 沿盾構(gòu)推進(jìn)方 向每條隧道分 16步開挖 .圖 2 有限元模型圖 3. 2 數(shù)值模擬計(jì)算分析步驟盾構(gòu)推進(jìn)過程的數(shù)值模

7、擬步驟主要分為如下幾步 :(1 計(jì)算初始自重應(yīng)力場 , 作為計(jì)算的初始階段 ;(2 (3 盾構(gòu)推進(jìn)到第二環(huán) , 第一環(huán)周圍地層應(yīng)力 釋放 25%(偏于安全的取值 , 第二環(huán)周圍土體低剛 度單元 “ 生” ;(4 盾構(gòu)推進(jìn)到第三環(huán) , 第一環(huán)預(yù)設(shè)管片單元 “ 生” , 同時(shí)在管片周圍土體施加均布荷載 , 以模擬注 漿壓力的作用 , 第二環(huán)周圍土體應(yīng)力釋放 25%;(5 盾構(gòu)推進(jìn)到第四環(huán) , 第一環(huán)等代層低剛度 單元 “ 死” , 高剛度單元 “ 生” , 用以模擬注漿對周圍土 體的加固作用 . 3. 3 數(shù)值模擬結(jié)果分析圖 3 地鐵二號線變形云圖 (單位 :m圖 3圖 4為盾構(gòu)隧道推進(jìn)完成時(shí)地鐵

8、二號線 和地表的變形云圖 . 從圖中可以看出 , 地鐵二號線和 地表都表現(xiàn)為隆起 . 新建隧道推進(jìn)過程中下部土體 的卸載回彈 , 是地鐵二號線產(chǎn)生隆起的主要原因 . 地 表的隆起主要是基于如下原因 , 其一 , 由于隧道疊交 距離很近 (1. 35m , 地鐵二號線隆起的貢獻(xiàn)作用 ; 其73第 4期 孫玉永 , 等 :軟土地層近距離上穿既有隧道變形的數(shù)值模擬二 , 由于新建隧道上覆土厚度較薄 (2. 95m , 而壁后注漿壓力一般為 0. 20. 3MPa , 這也是造成地表隆 起的主要原因 .圖 4 地表變形云圖 (單位 :m3. 3. 1 地鐵二號線變形分析圖 5為地鐵二號線下行線豎向位移

9、隨盾構(gòu)推進(jìn)步的關(guān)系曲線 (新建隧道下行線中心坐標(biāo)為 23. 1m , 上行線中心坐標(biāo)為 39. 5m . 從圖中可以看出 , 在 隧道下行線推進(jìn)完成時(shí) , 地鐵二號線最大隆起量為 7. 29mm ,10m 弦長測量的高低最大失度值為 2. 46mm ; 待上行線推進(jìn)完成時(shí) , 最大隆起量為 11. 6mm , 最大失度值為 2. 2mm. 根據(jù) 當(dāng)行車速度 v 100km/h 4進(jìn)過程中 , .圖 5 地鐵二號線下行線豎向位移隨盾構(gòu)推進(jìn)曲線從圖中同樣可以發(fā)線地鐵二號線的變形主要發(fā) 生在下行線推進(jìn)過程中 , 因此在這期間對地鐵二號 線進(jìn)行變形控制具有重要工程實(shí)際意義 .圖 6 地鐵二號線豎向位移

10、隨盾構(gòu)推進(jìn)曲線圖 6為隧道下行線推進(jìn)過程中兩隧道交疊處地鐵二號線豎向位移變化曲線 . 從圖中可以看出 , 既有 線的變形過程可分為如下幾個(gè)階段 :沉降階段 、 隆起 階段和穩(wěn)定階段 . 沉降階段 , 在盾構(gòu)推進(jìn)到既有隧道 之前 , 由于盾構(gòu)機(jī)前艙壓力及盾構(gòu)機(jī)本身自重作用 下 , 既有隧道上方土層的土壓力增加和超孔隙水壓 力產(chǎn)生 , 從而使既有隧道發(fā)生沉降 , 但沉降值較小 . 隆起階段 , 主要是由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中引起的土體 卸載回彈 、 地層損失以及壁后注漿壓力的作用 . 穩(wěn)定 階段 , 在盾構(gòu)推過既有線一定距離 (本次模擬顯示為 26m 左右 , 地鐵二號線的變形趨于穩(wěn)定 , 并有一定的下

11、降 , 這主要是由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中對周圍土體 產(chǎn)生一定的擾動 , 在盾構(gòu)推過以后 , 土體產(chǎn)生的固結(jié) 沉降變形 . 3. 3. 2 地表變形分析圖 7為地表豎向位移隨盾構(gòu)推進(jìn)步的關(guān)系曲 線 . 從圖中可以看出 , 在隧道下行線推進(jìn)完成時(shí) , 地 表最大隆起量為 12. 4, 1/1200; 待 16. 0mm , 最 1/1<1/500, 最大沉降量 <20cm 時(shí) , 建筑物不需要進(jìn)行加固 . 因此在盾構(gòu)推進(jìn)過程中 , 地表既有建筑物可以滿 足正常使用的功能要求 .圖 7 地表豎向位移隨盾構(gòu)推進(jìn)曲線待兩隧道推進(jìn)完成后 , 地表變形出現(xiàn)兩個(gè)峰值 , 位置在既有隧道上方 , 并且變形

12、也主要發(fā)生在下行 線隧道推進(jìn)過程中 .4 結(jié)語通過以上三維數(shù)值模擬分析 , 得到結(jié)論如下 :(1 在盾構(gòu)推進(jìn)過程中 , 由于土體卸載回彈及 壁后注漿壓力的作用 , 地鐵二號線和地表都表現(xiàn)為 隆起 .(2 在盾構(gòu)推進(jìn)過程中 , 地鐵二號線變形過程 依次分為 :沉降階段 、 隆起階段和穩(wěn)定階段 .(下轉(zhuǎn)第 45頁 83華 東 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2007年4 結(jié)語樂溫高速公路排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 不但考慮了邊 溝自身的排水需要 , 同時(shí)邊溝設(shè)計(jì)力求與高速公路總體景觀相協(xié)調(diào) , 尤其挖方段暗埋式邊溝的設(shè)置 , 增 大了路塹邊坡的綠化面積 , 拓寬了駕乘人員的綠化 視角 , 增加了行車的安全感 ,

13、為路塹段外側(cè)防撞護(hù)欄 的取消創(chuàng)造了條件 , 取得了良好的效果 .The Design of Le Wen H ighw ay Drainage SystemWAN Jian-jun 1, HE H ui-qun 2(1.Jiangxi C ommunication Engineering G roup C orp. Nanchang ,330016;2.Jiangxi C ommunication Design Institute. Nanchang ,330002,China Abstract :Drainage system is an im portant part of highway

14、 design ,and it hasanessential effect of ensuring the running quality and life -span of highway. This text directs towards the drainage system of Le Wen Highway ,primarily to intro 2duce the design of median divider drainage ,surface drainage ,side drain of roadbed drainage and intercepting drain of

15、 cut 2ting excavation drainage. Besids ,there are s ome design practices and specific mechanical control measures according to the coordination between highway drainage system and surroundings ,which can offer a reference for drainage design of slightly precipitous plains.K ey w ords :Le Wen Highway

16、 ;drainage system ;design(上接第 38頁 (3 線推進(jìn)過程中 .參考文獻(xiàn) :1Richards J A. Inspection maintenance and repair of tunnels :in2ternational less ons and practiceJ.Tunnelling and Underground S pace T echnology. 1998,13(4 :369-375.2Chang C T ,Suna C W ,Duannb S W ,et al. Response of a T aipeiRapid T ransit System

17、(TRTS tunnel to adjacent excavationJ.Tunnelling and Underground S pace T echnology ,2001,l6(3 :151-158.3胡群芳 , 黃宏偉 . 盾構(gòu)下穿越已運(yùn)營隧道施工監(jiān)測與技術(shù)分析 J.巖土工程學(xué)報(bào) ,2006,28(1 :42-47. 4王如路 , 蔡軼昊 , 劉建航 . 上海市軌道交通 4號線盾構(gòu)隧道穿越地鐵運(yùn)營線路的監(jiān)護(hù)工程 J.地下工程與隧道 , 2004, (3 :23-30.5陳中 , 焦蒼 . 埋深和盾構(gòu)推力對盾構(gòu)隧道的地表變形影響分析 J.隧道建設(shè) ,2005,25(5 :15-18.6易

18、宏偉 . 盾構(gòu)法施工對土體擾動和地層移動影響的研究D.上海 :同濟(jì)大學(xué) ,1999.3D -FEM Simulation of Deformation of Short Distance OverlappedTunnels in Soft Soil StratumSUN Yu -yong , SONG Tian-tian , ZH OU Shun-hua(K ey Laboratory of R oad and T raffic Engineering of the Ministry of Education ,T ongji University ,Shanghai 200331,ChinaAbstract :A shield -driven tunnel is constructed adjacent to the Metro Line 2tunnels in Shanghai. A minimum distanceis 1. 33m between the tw o tunneis. From the 3D -FE M simulation ,the Metro Line 2and ground surf