重叠隧道计算.doc

天津地铁5、6号线工程环湖西路站宾馆西路站4线并行区间计算分析广州地铁设计研究院有限公司工程设计证书：甲级编号：A144016445二一二年四月天津地铁5、6号线工程环湖西路站宾馆西路站4线并行区间计算分析计算： 校核： 审核： 审定： 广州地铁设计研究院有限公司工程设计证书：甲级编号：A144016445二一二年四月目录1工程概况42有限元模型53施工顺序分析64盾构净距的影响95加固措施的影响96叠线段隧道内力107结论138参考文献（References）1313天津地铁重叠盾构隧道计算分析1 工程概况随着我国地铁建设的快速发展，地铁上下重叠隧道也越来越常见。天津地铁工程为实现5、6号线的环湖西路站、宾馆西路站同台换乘，换乘车站均采用左右线站台上下重叠的岛式站台方案。环湖西路站、宾馆西路站两个换乘车站之间将建成4条盾构隧道：其中6线盾构隧道在整个区间均为上下重叠方式，5号线盾构隧道在车站两端局部重叠(如图4所示)。6号线环湖西路站宾馆西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1099m。区间与5号线设置水平联络通道。区间隧道西起环湖西路站，沿宾水道向东敷设。下穿卫津南路、环湖西路、环湖中路，到达宾馆西路站。本区间左右线平面完全重叠，其中左线在下，右线在上。5号线宾馆西路站环湖西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1149m。与6号线互设水平联络通道，均采用冻结法施工。区间隧道东起宾馆西路站，沿宾水道向西敷设。下穿卫津南路、环湖西路、环湖中路，途经市肿瘤医院、市热力公司、市教育招生考试中心等建筑物，到达环湖西路站。出宾馆西路站时，左右线为上下叠线（右线在上，左线在下），随后右线降低，左线抬高分别至左右线最低点位置，此时左右线仍然形成上下叠线（左线在上、右线在下），最后以叠线形式进入环湖西路站。其中重叠段区间隧道长度约415m。隧道所处地层为7、6-3、6-4、8-1、9-1粉质粘土层。图1 区间隧道总平面图图2 区间隧道纵断面图一图3 区间隧道纵断面图一目前国内尚未有这种整个区间均为上下叠线的工程实例。本文将通过建立有限元模型分析重叠隧道对以下方面进行分析：施工步序、盾构净距的影响、加固措施、重叠段隧道内力。2 有限元模型重叠隧道全长1099m，上下隧道线间距为8.6m14m。上部隧道主要穿越全新统中组粉质粘土层、下部隧道主要穿越全新统下组粉质粘土层。杂填土层厚度约为2m，地下水位于地面以下2m。重叠隧道典型横断面如图5所示。采用Plaxis有限元软件建立重叠隧道横截面的平面应变模型。为了减小边界效应对计算结构的影响，区间隧道中心距离计算模型边界为30m。地层采用平面应变三角形单元、摩尔库伦模型模拟，盾构隧道(外径6.2m，内径5.5m，管片厚度为0.35m)采用板单元、线弹性模型模拟，土层、盾构管片采用的模型参数如表1所示。有限元模型如图6所示。表1 材料特性表材料名称容重(kN/m3)弹性模量(kN/m2)泊松比卸载-再压缩模量(kN/m2)粘聚力C(kN/m2)内摩擦角F(°)杂填土2012600.23780010全新统中组粉质粘土2044000.35132001416全新统下组粉质粘土2055000.35165001917盾构管片253.45×1070.15/图4 同台换乘车站与重叠盾构隧道示意图图5 重叠盾构隧道横截面图6 Plaxis有限元模型3 施工顺序分析对于上下重叠隧道，存在先施工下部隧道再施工上部隧道(先下后上)与先施工上部隧道再施工下部隧道(先上后下)两种施工顺序。盾构净距为4m时，计算得到的两种施工顺序施工过程中的竖向位移如图7、图8所示。此外有限元模型中将地面、隧道拱部作为监测点(如图5所示)，其竖向位移随施工过程的变化如图10所示。从计算结果可以看出：(1) 施工上部、下部盾构隧道都将使地面产生沉降，“先上后下”施工顺序地面累积沉降为15mm，“先下后上”施工顺序地面累积沉降为18mm，两种施工顺序地面累积沉降相差不大；(2) “先下后上”施工顺序中，后期施工上部隧道对下部隧道有卸载作用，下部隧道产生上浮；(3) “先上后下”施工顺序中，后期施工下部隧道使上部隧道产生沉降。 (a) 先施工下部隧道的竖向变形(b) 后施工上部隧道的竖向变形图7 “先下后上”施工过程变形图(a) 先施工上部隧道的竖向变形(b) 后施工下部隧道的竖向变形图8 “先上后下”施工过程变形图 图9 “先下后上”施工步序地面、衬砌拱部沉降(计算点见图2)图10 “先上后下”施工步序地面、衬砌拱部沉降(计算点见图2)由于施工过程中控制沉降难于控制上浮，根据相似工程的经验，本工程采用先下后上的施工顺序。“先下后上”施工步序沉降曲线如图11所示。图11 “先上后下”施工步序地面沉降曲线4 盾构净距的影响图12 “先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系图表2 “先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系表隧道净距(m)34567上浮量(mm)11.210.29.28.27.4整个叠线区间盾构净距为2.36-7.8m，为进一步研究“先下后上”施工顺序中盾构上浮量与盾构净距的关系，建立不同盾构净距的有限元模型，计算得到的下部隧道上浮量如图12所示。计算结果表明：盾构净距从3m变化至7m时，下部隧道均会产生上浮量；上浮量与盾构净距基本呈线性关系，盾构净距越大，上浮量越小；盾构净距为7m时，上浮量仍达到7.4mm。这个上浮量不容忽视，在施工过程中必须采取有利措施控制下部隧道的上浮。施工过程中拟采取隧道周圈3m注浆加固措施予以加固。5 加固措施的影响实际施工过程中，拟采取注浆措施对重叠段隧道土体进行加固(如图14所示)，其具体做法如下：(1)先施工下部隧道，加强同步注浆，同步注浆填充率150%；(2) 采用注浆管对盾构外围3m范围土体进行注浆加固，加固后的土体应具有良好的均匀性和较小的渗透系数，无侧限抗压强度qu=0.20.3MPa；(3) 施工上部隧道，同样加强同步注浆，对盾构外围3m范围土体进行注浆加固。值得注意的是一般地段盾构管片注浆孔为6个(即封顶块、邻接块、标准块均只有一个注浆孔)，叠线地段为满足注浆需要在邻接块、标准块上均增加2个注浆孔，总注浆孔从普通到的6个增加到16个。叠线段增设注浆孔管片如图13所示。图13 重叠段盾构管片图为分析土体加固对变形的影响，需要对加固后的土体选取合理的模型参数。分别假定加固后的土体弹性模量为50MPa、100MPa、200MPa，计算得到的下部隧道上浮量如图15所示。从中可以看出采用注浆加固措施能有效减小下部隧道的上浮量，加固土体的弹性模量越大，上浮量越小。施工前应对注浆加固土体进行试验，确保注浆加固效果。图14 重叠段土体加固措施示意图图15 盾构上浮量与土体加固参数的关系6 叠线段隧道内力仍以盾构净距为4m时为例，计算上下隧道在各施工步序中的内力变化情况。仅开挖下部隧道时下部隧道内力如图16所示；开挖上部隧道时下部隧道内力如图17所示；开挖上部隧道时上部隧道内力如图18所示。 (a) 弯矩：95.06kN.m(b) 剪力：1250kN(c) 剪力：60.58kN图16 仅开挖下部隧道时下部隧道内力标准值 (a) 弯矩：17.79kN.m(b) 剪力：1170kN(c) 剪力：11.93kN图17 开挖上部隧道时下部隧道内力标准值 (a) 弯矩：33.32kN.m(b) 剪力：662kN(c) 剪力：21.46kN图18 开挖上部隧道时上部隧道内力标准值上部隧道开挖后，下部隧道的内力有大幅度减少，其中最大弯矩减少81%，且最大弯矩位置发生在腰部；最大剪力减少81%；最大轴力变化不大。由此可知下部隧道最不利工况为仅开挖下部隧道时；上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用。7 结论本文对地铁重叠盾构隧道施工过程中的变形、内力进行了分析，研究了施工顺序、盾构净距、重叠段土体加固措施的影响，得到了以下结论：(1) 先下再上、先上再下两种施工顺序中，地面沉降相差不大；(2) 先下后上施工顺序中下部隧道会上浮，先上后下施工顺序中上部隧道会沉降；(3) 盾构净距越大，先下后上施工顺序中下部隧道的上浮量越小；(4) 采用注浆加固措施能有效减少下部隧道上浮量。(5) 上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用。8 参考文献（References）1 刘钊，余才高、周振强. 地铁设计与施工M. 北京：人民交通出版社，2004. 2 赵巧兰, 林 巍.小净距、长距离重叠盾构隧道设计、施工技术J.铁道标准设计,2009,10：78-83.3 GB50157-2003, 地铁设计规范S.4 GB50010-2010, 混凝土结构设计规范S.