頂管施工對(duì)已有隧道變形的可控性分析,大學(xué)論文

頂管施工對(duì)已有隧道變形的可控性分析,大學(xué)論文內(nèi)容摘要：為研究頂管上穿地鐵區(qū)間隧道經(jīng)過(guò)中隧道受力的變化，根據(jù)徐州市區(qū)奎河綜合整治工程截污主管頂推工程相關(guān)的設(shè)計(jì)及施工資料，采用GTS進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，根據(jù)施工工況，分析對(duì)既有區(qū)間隧道的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂進(jìn)經(jīng)過(guò)中的推力及頂管引起的土體卸載造成區(qū)間隧道的變形，伴隨頂管頂進(jìn)的經(jīng)過(guò)，原有區(qū)間隧道的受力及變形會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)頂管頂進(jìn)一定位置時(shí)，區(qū)間隧道的受力及變形最大。計(jì)算結(jié)果表示清楚采用頂管施工能夠很好的控制隧道的變形，確保頂管施工期間地鐵隧道的構(gòu)造安全。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：頂管施工；區(qū)間隧道；變形；Abstract:Inordertostudythechangeoftunnelforceduringtheprocessofpipejackingthroughsubwaytunnel,basedonthedesignandconstructiondataofKuiherivercomprehensiveregulationprojectinthecityofXuzhou,three-dimensionalnumericalsimulationanalysisiscarriedoutbyusingGTS,accordingtotheconstructionconditions,theinfluenceontheexistingintervaltunnelisanalyzed.Theresultsshowthatthethrustforceduringthejackingandtheunloadingofsoilcausedbythejackingcausethedeformationoftheintervaltunnel.Alongwiththejackingprocess,theforceanddeformationoftheoriginalintervaltunnelwillbecomelargerandlarger,thestressanddeformationoftheintervaltunnelaremaximum.Theresultsshowthatthedeformationoftunnelcanbewellcontrolledbypipejackingconstruction,andthestructuralsafetyofsubwaytunnelduringpipejackingconstructioncanbeensured.Keyword:pipejackingconstruction;intervaltunnel;deformation;1概述當(dāng)前，地鐵項(xiàng)目建設(shè)如火如荼，由于缺少前期與各部門的溝通協(xié)調(diào)，地鐵建設(shè)后引起的區(qū)間隧道建設(shè)占用的地下空間就會(huì)給后期施工的市政管網(wǎng)改造帶來(lái)費(fèi)事。隨著城市疆域的擴(kuò)張，市政管網(wǎng)改造的工程越來(lái)越多，本文根據(jù)徐州市區(qū)奎河綜合整治工程截污主管頂推工程對(duì)既有隧道的受力及變形的影響，為以后頂管施工上穿既有隧道的工程提供類似的經(jīng)歷體驗(yàn)。2工程大概情況2.1工程介紹截污干管總長(zhǎng)度約3.1km,截污干管管徑為DN2000,管節(jié)長(zhǎng)度為2m,壁厚200mm,采用預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，污水干管頂埋深約為5m,地鐵3號(hào)線和平路站-淮塔東路站盾構(gòu)區(qū)間在這里管道下方，盾構(gòu)隧道距離污水干管垂直距離最小為5m,盾構(gòu)隧道頂覆土埋深12m.區(qū)間盾構(gòu)段采用隧道內(nèi)徑5.5m,外徑6.2m,厚350mm,環(huán)寬1.2m的管片。2.2工程及水文地質(zhì)條件地鐵隧道以北地貌類型為沖積垅狀高地，主要由黃河帶來(lái)的粉砂、粉土堆積而成，標(biāo)高36.0m~42.0m,兩側(cè)構(gòu)成天然堤壩，高出沖積平原5m~10m;地鐵隧道以南為沖積垅狀高地、沖積平原交接帶，淺部分布的粉土、粉砂層較薄，下部為第四系中上更新統(tǒng)棕紅色含鈣核黏土和全新統(tǒng)棕紅、棕黃色黏土構(gòu)成。地層從上往下為〔1〕-1雜填土、〔2〕-4-2黏質(zhì)粉土、〔2〕-3a-2黏土、〔5〕-3a-4黏土。地層參數(shù)見(jiàn)表1.表1土層參數(shù)地下水類型按賦存條件分為填土、砂粉土中的孔隙水及灰?guī)r巖溶裂隙中的裂隙巖溶水，按埋藏條件可分為上層滯水、潛水及承壓水。潛水地下水水位埋深1.10m~8.30m,水位標(biāo)高29.48m~39.50m,受地形起伏及地表水〔勘察期間廢黃河水位標(biāo)高36.0m,奎河水位標(biāo)高29.48m〕影響較大。3區(qū)間隧道安全狀態(tài)評(píng)估本次影響范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為GGC-R0160,GGC-R0170,GGJ-R0160,GGJ-R0170〔GGC為隧道拱頂沉降，GGJ為隧道凈空收斂〕；以日為節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，僅有右線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，待左線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)足夠時(shí)再進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠看出，拱頂累計(jì)沉降量大值到達(dá)1.5mm,最大隆起2.0mm,平均天天變化速率為0.1mm/d~0.9mm/d;隧道拱頂累計(jì)沉降值及變形速率均較小，隧道處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道處于安全狀態(tài)。4三維模擬數(shù)值分析本文采用有限元軟件Midas/GTS作為計(jì)算平臺(tái)。土體采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，有限元計(jì)算模型的范圍確定為79m73m29m,包括三號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間左右線隧道以及上穿的頂管隧道，左右線隧道長(zhǎng)73m,頂管隧道長(zhǎng)79m.模型上外表邊界取自地表〔忽略地表高差變化，取水平面〕，下外表邊界取自隧道底部下面約10m.數(shù)值模擬經(jīng)過(guò)中，為了盡可能到達(dá)與實(shí)際相符的計(jì)算環(huán)境，需要對(duì)地層及構(gòu)造進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和處理，以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件，本次計(jì)算基本假定包括：1〕初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；2〕所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，土體水平成層分布；3〕圍巖推拿爾-庫(kù)侖理想彈性材料考慮，隧道管片均為均質(zhì)彈性材料；4〕地鐵隧道管片不考慮管片與管片之間的連接，只作為整體進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。頂管施工采用單元鈍化的方式進(jìn)行模擬，機(jī)械荷載等效為均布荷載，施加對(duì)應(yīng)構(gòu)件外表。本次模擬分析中，將頂管推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的經(jīng)過(guò)來(lái)研究，假設(shè)頂管機(jī)一步一步跳躍式向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長(zhǎng)度為一個(gè)管節(jié)的長(zhǎng)度〔2m〕，在頂管機(jī)尾部襯砌拼裝一次性完成，同時(shí)在掌子面上施加均布的土倉(cāng)壓力，大小為原始地層隧道中心位置的側(cè)向靜止土壓力值，本次模擬共劃分40個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段根據(jù)頂推2m.頂管機(jī)內(nèi)土體開(kāi)挖采用有限元軟件Midas/GTS提供的單元鈍化功能進(jìn)行模擬。4.1內(nèi)力分析通過(guò)模型模擬計(jì)算，得到一系列結(jié)果，能夠看出，隨著頂管隧道的推進(jìn)，盾構(gòu)隧道左線的軸力在施工階段3時(shí)〔過(guò)左線隧道前28m左右〕開(kāi)場(chǎng)增加，在施工階段27時(shí)〔過(guò)左線隧道后20m左右〕到達(dá)最大值，之后開(kāi)場(chǎng)減小。右線在施工階段6時(shí)〔過(guò)左線隧道前22m左右〕開(kāi)場(chǎng)增加，在施工階段33時(shí)〔過(guò)左線隧道后32m左右〕到達(dá)最大值，之后基本保持不變。左線軸力的最大變化量為3.41kN/m,右線軸力的最大變化量為3.08kN/m,講明上穿污水干管對(duì)盾構(gòu)隧道管片軸力的影響較小。左線隧道盾構(gòu)管片剪力逐步增大，右線隧道管片剪力逐步減小，隨著頂管的通過(guò)，剪力值趨于穩(wěn)定。左線剪力值最大變化量為3.82kN/m,右線剪力值最大變化量為2.92kN/m.左線隧道管片彎矩值有所增加，而右線管片彎矩略微減小。左線隧道管片彎矩值最大變化量為2.36〔kNm〕/m,右線隧道管片彎矩值最大變化量為0.29〔kNm〕/m.盾構(gòu)隧道管片彎矩見(jiàn)圖1.綜上，頂管的推進(jìn)對(duì)左線隧道的影響相對(duì)要大，但總體來(lái)講對(duì)盾構(gòu)管片的受力影響較小。4.2位移分析隨著頂管的推進(jìn)，左線管片最先遭到影響而發(fā)生變形，右線管片后發(fā)生變形。左線管片在頂管施工階段17時(shí)〔左線正上方位置〕，水平和垂直位移增長(zhǎng)加快，在頂管施工階段25時(shí)〔過(guò)左線中心線16m左右〕，水平和垂直位移均到達(dá)最大值，之后位移減小。右線管片在頂管施工23時(shí)〔右線正上方位置〕，水平和垂直位移增長(zhǎng)加快，在頂管施工階段33時(shí)〔過(guò)右線中心線20m左右〕，水平和垂直位移均到達(dá)最大值，隨后位移減小。頂管機(jī)掘進(jìn)引起的隧道管片左線最大水平位移為1.25mm,最大垂直位移為1.13mm,右線最大水平位移為1.23mm,最大垂直位移為1.11mm,左右線的水平和垂直位移基本保持一致。根據(jù)城市軌道交通構(gòu)造安全控制指標(biāo)，隧道水平和垂直位移預(yù)警值均為5mm,數(shù)值模擬隧道位移計(jì)算結(jié)果均小于預(yù)警值。盾構(gòu)隧道管片水平方向位移見(jiàn)圖2.根據(jù)上面施工階段位移的變化規(guī)律可知，在頂推過(guò)隧道時(shí)，頂管開(kāi)挖對(duì)土體有一個(gè)卸載的作用，使隧道有一個(gè)向上的回彈，導(dǎo)致隧道變形增加，等頂管過(guò)隧道之后，上部土體完成變形，荷載又重新加到隧道上，隧道變形又會(huì)減小。4.3荷載-構(gòu)造模型計(jì)算分析由于頂管施工的影響，在污水干管接近隧道和穿過(guò)隧道時(shí)，會(huì)引起鄰近區(qū)間隧道的受力變化，隧道構(gòu)造的變形受偏壓作用的影響也會(huì)有一定的變化。為此，應(yīng)用有限元分析軟件，采用荷載-構(gòu)造模型模擬計(jì)算頂管施工穿越區(qū)間隧道前后，既有地鐵隧道構(gòu)造的受力變化情況。計(jì)算斷面選擇的原則是最不利原則,即選用與本項(xiàng)目位置關(guān)系最不利的斷面進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選擇相鄰地質(zhì)鉆孔中較差的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。擬采用的計(jì)算工況如表2所示。表2計(jì)算工況頂管施工完成后，盾構(gòu)隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能知足原設(shè)計(jì)的要求。5結(jié)論及建議1〕采用Midas/GTS軟件模擬頂管頂推施工，頂管施工引起地鐵隧道最大垂直位移和水平位移，均小于地鐵安全控制指標(biāo)值，知足地鐵隧道變形控制要求。講明采用頂管施工能夠很好的控制隧道的變形，確保施工期間地鐵隧道的安全。2〕數(shù)值模擬結(jié)果中：a.隧道的最大變形約為1.36mm,遠(yuǎn)小于安全控制指標(biāo)值10mm;b.隧道徑向收斂約為1.5mm,遠(yuǎn)小于安全控制指標(biāo)值12.4mm;c.曲率半徑R=〔117/4〕2/0.00136=629090m15000m,知足安全控制指標(biāo)；d.盾構(gòu)隧道最大變形差的一環(huán)管片〔1.2m范圍內(nèi)〕差異變形為0.27mm,其相對(duì)變曲為0.27/12001/2500,知足安全控制指標(biāo)；e.根據(jù)模型云圖測(cè)量影響范圍，為截污干管兩側(cè)各50m范圍內(nèi)；f.根據(jù)隧道變形分析得知：軌道橫向高程、軌間距等均知足安全控制指標(biāo)。3〕計(jì)算結(jié)果表示清楚采用頂管施工能夠很好的控制隧道的變形，確保頂管施工期間地鐵隧道的構(gòu)造安全。4〕采用荷載構(gòu)造模型對(duì)盾構(gòu)區(qū)間受力進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果能夠看出，盾構(gòu)隧道管片承受的彎矩和軸力值均有一定的增大，但管片配筋及裂縫寬度均能知足原設(shè)計(jì)的要求。5〕為保證截污干管道施工的安全性，并盡量減小頂管施工對(duì)地鐵3號(hào)線隧道構(gòu)造的影響，需要對(duì)頂管施工編制嚴(yán)密的施工組織方案，尤其是頂管在地鐵隧道上方垂直穿越施工時(shí)的影響最大。因而對(duì)頂推力的大小、頂進(jìn)速度、注漿保證和地層損失、地下水位進(jìn)行控制，確保頂管施工的順利進(jìn)行和對(duì)地鐵隧道構(gòu)造的影響最小。6〕頂管施工前應(yīng)對(duì)鄰近既有地鐵隧道構(gòu)造現(xiàn)在狀況展開(kāi)相關(guān)調(diào)查和分析，以把握既有地鐵隧道構(gòu)造的現(xiàn)在狀況情況。同時(shí)采用動(dòng)態(tài)施工，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使既有隧道的變形在允許范圍之內(nèi)，確保地鐵隧道的構(gòu)造安全