2008-02-29小净距重叠段施工稳定性研究报告研究报告(新).doc
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1、深圳地铁3号线老(老街站)东(东门站)区间盾构隧道小净距重叠段施工稳定性研究报告西南交通大学日期:2008年3月主要研究人员: 负责人:朱 明 博士 顾 问:邓荣贵 教授 博导 毛坚强 教授 主 研:莫阳春 博士 周立荣 博士 邓遥林 硕士目 录第1章 工程概括 .11.1 工程概括 .11.2 盾构机的主要尺寸等效荷载.2第2章 FLAC3D数值模拟计算程序的基本原理 .42.1 FLAC3D软件基本原理 .42.1.1 与有限元比较FLAC3D的优点 42.1.2 FLAC3D数值应用问题 .42.2 FLAC3D软件计算结果后处理程序编制 .52.2.1 衬砌弯矩、轴力计算方法 .52.
2、2.2 FISH函数的编制 . 72.3 FLAC3D围岩实体单元与支护结构单元7第3章 重叠隧道平行段施工力学行为研究.83.1 计算模型的建立 .83.1.1 计算范围及边界条件 .83.1.2 计算参数的选取 .83.1.3 初始应力及初始孔隙水压力场.93.2 数值模拟结果与分析(先上后下).93.2.1 上隧道开挖 60m(贯通)时围岩位移特征.93.2.2 上隧道开挖后地表沉降分析 . 113.2.3 上隧道开挖后应力场分析.113.2.4 上隧道开挖后管片内力分析 .123.2.5 下隧道开挖到31.5m时,地层位移特征 .133.2.6 下隧道开挖到31.5m时,地表沉降分析.
3、143.2.7 下隧道开挖到31.5m时,地层应力场分析. 143.2.8 下隧道开挖到31.5m时,隧道管片内力分析.153.3 数值模拟结果与分析(先下后上). 163.3.1 下隧道修建完成后围岩位移场特征.163.3.2 下隧道修建完成后地表沉降分析.163.3.3 下隧道修建完成后围岩应力场分析.173.3.4 下隧道修建完成后隧道管片内力.173.3.5上隧道修到y=30m时围岩位移场特征.183.3.6上隧道修到y=30m时地表沉降分析. 193.3.7上隧道修到y=30m时围岩应力场分析. 193.3.8上隧道开挖完后两隧道管片内力.203.4 上下平行重叠段隧道两种施工方法的
4、比较.213.4.1 对围岩位移场的影响.213.4.2 对地表沉降的影响.223.4.3 对隧道围岩应力的影响.223.4.4 对支护结构内力的影响.22第4章 重叠隧道非平行段施工力学行为研究.244.1 数值计算基本情况.244.1.1 数值建模.244.1.2 数值计算力学参数取值.254.1.3 数值模拟方法.254.2 数值模拟结果与分析(先上后下工法).254.2.1 地层位移特征.254.2.2 地表沉降特征.274.2.3 地层应力.274.2.4 管片内力分析.294.3 数值模拟结果与分析(先下后上工法).314.3.1 位移特征.314.3.2 地表沉降特征.323.2
5、.3 地层应力特. 324.3.4 管片内力分析.344.4 上下非平行重叠段隧道不同工法计算结果比较. 364.4.1 对围岩位移场的影响.364.4.2 对地表沉降的影响.364.4.3 对围岩应力场的影响. 374.4.4 对支护结构内力的影响.38第5章 小净距上下重叠地铁隧道围岩注浆加固技术.395.1 超前预支护注浆加固技术的类型.395.2 本次计算中所采用注浆加固技术. .41主要参考文献.4447第1章 工程概括1.1 工程概括深圳地铁3号线工程的老街站东门站区间隧道(简称:老东区间)。区间设计起讫里程为Z(Y)CK8+056.37Z(Y)CK8+889.7,左线隧道全长83
6、8.59m,右线隧道全长836.03m,左、右线为两条分修的单线隧道,单线隧道总长为:1674.62m,如图1所示。图1 老东区间隧道本区间左右线为分修的两条单线隧道。由于受老街站的(为满足与1号线同站台平行换乘的方式,车站采用上下重叠的侧式站台形式)控制,左右线隧道(左线在上,右线在下)以轨面高差7.6m的间距(两隧道净距为1.6m)从老街站以上下重叠的形式出发后,左右线以R=350m的曲线(右线曲线长度482.545m,左线曲线长度525.008m )在下穿多幢房屋、东门老街繁华商业区后,在接近东门中路时左右线隧道在平面上线间距逐渐拉开,纵断面上轨面高差逐渐加减少,左右线隧道逐渐由上下重叠
7、过渡到左、右平行的结构形式。此时左线以R=350m、右线以R=600m的反向曲线进入东门站。按左右线最近净距6.0m控制,上下重叠及过渡线路长度约740.0m。左右线隧道在老街站东端头(上线轨面埋深约为15.4m,隧道拱顶埋深约为10.6m)以上下重叠的形式出发,左线以17.0、右线以29.5的不等纵坡,以拉开重叠隧道的上下净距,行进至太阳广场处(线路最低点,上线轨面埋深约为19.4m,隧道拱顶埋深约为14.6m,左右线隧道的净距为3.9m),此时,左线以29.0的纵坡到达本区间的最高点(此时轨面埋深约为10.4m,隧道拱顶埋深约为5.6m),然后以-19.485的纵坡到东门站;本区间的最高点
8、右线以25.663和29.50的纵坡逐渐抬升进入东门站。左右线隧道等高到达东门站,此时,隧道轨面埋深约为14.8m,隧道拱顶埋深约为9.8m。本区间上线隧道拱顶埋深为5.614.6m。在施工时,先修右线(下线),再修左线(上线)。盾构法区间:一般段67m/天,重叠段5m/天。进度为5m/天计。在模拟时,每次进尺1.5m。 图2 重叠隧道重叠段1.2 盾构机的主要尺寸等效荷载盾构机的主要尺寸及重量如下:1、刀盘 6.3 m 6.3 m 1.8 m 54t 2、前盾 6.26m 6.26m 3.2m 96t 3、中盾 6.26m 6.26m 3.24m 87t 4、尾盾 6.26m 6.26m 3
9、.84m 32t 5、螺旋输送器 11.06m 1.8m1.6m 25t 6、管片安装机 4.5m 4.5m 2.03m 10.5t 7、联接桥 11.94m 4.59m 3.55m 1 7t 8、1号台车 9m 4.8m 3.2m 22.4t 9、2号台车 10.87m 4.8m 3.24m 39t 10、3号台车 8.7m 4.8m 3.18m 22t 11、4号台车 8.7m 4.5m 3.18m 25t 12、5号台车 8.8m 4.7m 3.18m 23t13、其他散件 20t 14、电瓶车 7.8m 1.55m 2.45m 45t15、出土渣车(5节) 6.3m 1.55m 2.4
10、5m/节 40t/节图3 盾构机的主要尺寸及重量经计算,盾构机的等效荷载可以简化为如图4所示的布设。图4 盾构机等效荷载第2章 FLAC3D数值模拟计算程序的基本原理2.1 FLAC3D软件基本原理 FLAC(快速拉格朗日分析,Fast LagrakNgiakN AkNalysis for CokNtikNuum)是美国ITASCA咨询集团公司开发的一种应力分析软件,首先由Peter CukNdall博士在20世纪80年代提出并将其程序化、实用化。具有界面好,计算能力强,使用简单等特点,并附有功能强大的前后处理器,使用计算模拟工程直观明了,在国际岩土界广为流行。它广泛应用于地下洞室稳定性计算、
11、采矿工程设计、边坡的稳定性评价与支护设计等方面,是岩土工程中的一种重要数值计算工具。FLAC程序采用的是快速拉格朗日方法,它基于显式有限差分法来求解运动方程和动力方程31。程序将计算区域内的介质划分为若干个单元,单元之间用结点相互连接,对某一个结点施加荷载之后,该结点的运动方程可以写成时间步长的有限差分形式。在某一个微小的时段内,作用于该结点的荷载只对周围的若干结点有影响,根据单元结点的速度变化和时段,程序可计算出单元之间的相对位移,进而可以求出单元应变。根据单元材料的结构方程即可求出单元应力,随着时段的增长,这一过程将扩展到整个计算范围,直到边界。FLAC3D是三维快速拉格朗日分析方法,采用
12、三维显式有限差分法程序,可以模拟岩土或其它材料构成的地层和结构的三维力学行为。材料介质通过构成的网格来表征,由用户调整网格以拟合模拟对象的外形。FLAC将计算区域划分为若干六面体单元,每个单元在给定的边界下遵循指定的线性或者非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或者产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法。2.1.1 与有限元比较FLAC3D的优点 (1) FLAC3D采用了混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动行为,这种方法比有限元方法中通常采用的降阶积分更为合理。 (2) FLAC3D利用动态的运动方程进行求解,即使问题在本质上是静力问题。这使得FLAC
13、3D很容易模拟动态问题,如振动、失稳、大变形等。 (3) FLAC3D采用显式方法进行求解,对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别,对于已知的应变增量,可很方便地求出应力增量,并得到不平衡力,就同实际中的物理过程一样,可以跟踪系统的演化过程。2.1.2 FLAC3D数值应用问题1、实体离散化和初始、边界条件 在FLAC3D中,用户把实体离散成若干区域。程序自动把每个区域离散成系列四面体单元。边界条件由表面应力、集中载荷、位移组成。此外,给定体力和初始应力;对于程序的执行,所有的应力和节点位移应初始化为零,然后设置初始应力;集中力加在指定的表面节点上,表面位移转换成节点速度进行
14、描述;体力和表面应力转换成系列静力等效节点载荷,这组成了数值模拟的初始状态。2、主要计算步骤FLAC3D使用显示的时间匹配的有限差分求解方案,对于每一时步,计算序列总结如下: a.由节点速度计算新的应变率。 b.使用本构方程从应变率和前次时刻的应力计算新的应力。 c.调用运动方程由应力和载荷计算新的节点速度和位移。每个时间步重复一次计算序列,最大不平衡力受到控制。最大不平衡力接近零,表明体系达到平衡状态;或者接近非零常数值,表明体系一部分或全部达到稳定流动状态。为了分析计算结果,可以在任何时刻中断计算过程。 三维快速拉格朗日法的计算循环如图2.1所示。无论是动态问题,还是静态问题,三维快速拉格
15、朗日法均由运动方程用显式方法求解,这使得它容易模拟动态问题,如振动、失稳、大变形等。对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别,对于已知的应变增量,可很方便地求出应力增量,并得到不平衡力,就同实际中的物理过程一样,可以跟踪系统的演化过程。图2.1循环计算求解过程2.2 FLAC3D软件计算结果后处理程序编制在隧道施工模拟中,我们往往采用三维实体单元模拟隧道衬砌,这有其优点,利用三维实体单元能够更好的模拟隧道衬砌与围岩之间的相互作用,然而却给后处理造成了一定麻烦。计算得到的实体单元应力往往不能非常直观的反应衬砌的工作状态及安全性,同时也给二次衬砌结构配筋计算造成了一定的困难。基于上
16、述原因,为了更好地利用实体单元模拟衬砌,并且能够得到直观的计算结果,本文利用FLAC3D内嵌FISH语言,编制了FISH函数,进行二次开发,根据计算得到的实体单元的应力,经过一定处理得到衬砌的弯矩、轴力,使衬砌内力更加直观,为评价衬砌的安全性提供了定量数据。2.2.2 FISH函数的编制FLAC3D具有强大内嵌FISH语言,使得用户可以定义新的变量或函数,以适应用户的特殊需要,例如,利用FISH做以下事情: (1)用户可以自定义材料的空间分布规律,如非线性分布等。(2)用户可以定义变量,追踪其变化规律并绘图表示或打印输出。(3)用户可以自己设计FLAC3D内部没有的单元形态。 (4)在数值试验
17、中可以进行伺服控制。(5)用户可以指定特殊的边界条件。(6)自动进行参数分析。(7)利用FLAC3D内部定义的FISH变量或函数,用户可以获得计算过程中节点、单元参数,如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变、不平衡力等。基于上述FISH语言强大的功能,编写了求解衬砌弯矩、轴力的FISH函数,该函数可以实现对所选衬砌单元的应力等参数的读取,并且按上述方法求解弯矩、轴力、安全系数,最后输出结果文件,针对该结果文件编制了后处理作图助手程序,可以方便的绘制衬砌的弯矩、轴力的图形。2.3 FLAC3D围岩实体单元与支护结构单元1)围岩实体单元在所有的FLAC3D中模拟中,围岩采用六面体实体单元,如图2
18、.3所示。也可以退化为四面体单元,如图2.4所示。 图2.3 六面体实体单元 图2.4 四面体实体单元 2)混凝土管片 混凝土管片采用FLAC 3D中的壳结构(shell-type structure)。壳结构由多个具有三节点18个自由度的三角形单元组成(图2.5)。用户可以根据计算的精确程度定义三角形单元的大小,还可以规定壳结构单元的厚度,材料属性以及壳结构与土体之间的作用方式。通过对不同位置上的节点设置监测历史记录,可以得到作用于混凝土管片的土压力变化过程。图2.5 壳结构单元第3章 重叠隧道平行段施工力学行为研究3.1 计算模型的建立3.1.1 计算范围及边界条件根据设的资料,选取区间Z
19、(Y)CK8+056.37Z(Y)CK8+889.7左线隧道(上线)在老街站西端的轨面埋深约为14.8m,隧道拱顶埋深约为9.8m。上下重叠隧道的最小净距为1.6m(老街站西端头处)。模型的范围:x方向取为m,y方向沿隧道轴向取为:m,Z方向取为m。约束条件:模型两侧面水平方向约束,向竖直方向自由;模型底部,竖向约束,水平方向自由。数值计算模型如图3.1所示。 (a)计算模型(1/2) (b) 加固区及管片模型图3.1 计算模型3.1.2 计算参数的选取由于此计算范围内围岩级别为类。查相关资料,计算所选用的围岩及支护结构力学参数如下表:表3.1 围岩及支护结构参数项目密度()内摩擦角/()粘聚
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