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地面堆载对地面出入式盾构隧道上浮影响规律分析

作者:  发布:2015/6/19  浏览:
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摘 要:地面出入式盾构隧道施工是一种不需要工作井、盾构机直接从地面出发和到达的新型工法,在盾构出入地面阶段,地表堆载是防止隧道上浮的有效技术措施。文章通过数值模拟,研究了地表堆载的高度和宽度范围、隧道埋深等对隧道上浮的影响规律,并针对背景工程的地质条件,给出了不同覆土深度下堆载范围建议值。研究结果表明,不同覆土深度下,当堆载宽度大于2.5D(D为隧道直径)后,隧道上浮量减小值显著增加。

1前言

地面出入式盾构隧道施工是一种新型盾构工法,与传统盾构工法不同,它不需要工作井,盾构直接从地面出发和到达。其优点是:除了节省工作井投资外,还能缩短工期,降低整体投资。但是,由于需要从地面直接出发和到达,隧道在掘进过程中将遇到各种覆土厚度工况,包括负覆土、零覆土和浅覆土。尤其是在负覆土的受力条件下,隧道的受力尤其不利,在注浆压力和地下水浮力作用下,隧道管片会发生上浮,甚至可能会在局部出现较大的上浮量。隧道的上浮会影响隧道管片的拼装,同时会影响管片间的密封作用,甚至危及隧道安全。因此,隧道在负覆土工况下的抗浮已成为这类新型盾构施工的重点和难点。

经对现有文献检索发现,吴庆等研究了浅埋隧道地表堆载大小及位置对隧道受力变形的影响;陆文超提出了地面荷载下浅埋隧道围压应力的复变函数解法;周工恒等研究了堆载控制基坑开挖引起的地铁隧道上浮,得出了最佳堆载大小与最佳的堆载时机;杨方勤等研究了盾构法隧道的上浮与抗浮措施,得出了一些有益的结论,主要包括推进速度、浆液类别对隧道上浮的影响,并建立了一种简化的隧道上浮模型;杨武根据宁波软粘土实际工程监测结果,认为地质、隧道埋深、管片等都是影响隧道上浮的因素,可以采用二次注浆等措施来减少隧道的上浮量;叶飞等研究了施工期隧道上浮的机理,并提出了控制对策。上述研究从理论或者施工应用的角度,对隧道的上浮做出了解释。

本文依据南京背景工程,采用数值计算分析隧道在不同覆土深度下、不同堆载宽度和堆载高度对隧道上浮量的影响,并给出不同覆土深度下的堆载范围建议值,对今后类似工程有参考价值。

2数值计算模型

本文以南京地面出入式盾构隧道示范工程作为背景,研究地表堆载对隧道上浮及变形的影响。地面出入式盾构段总长为124m,隧道直径为6.2m。隧道长度为103环,总长123.6m。该工程在盾构施工过程中将经历负覆土、超浅覆土等一系列工况。隧道穿越土层为①-2素填土,②-1b2粉质粘土,②-3c2粉土,④-1b1粉质粘土,J31-1全风化安山岩。

2.1数值计算模型

本文以南京实际工程为背景,研究不同覆土深度下,不同堆载范围对隧道上浮的影响,具体的计算工况列于表1

1 模型计算工况(D为隧道直径)

本文按照实际工况建立模型,隧道半径为6.2m,管片厚度为0.35m。有限元计算模型如图1所示。

1 有限元计算模型

2.2计算参数

模型中土层参数与实际土层一致,土体采用摩尔库仑弹塑性本构模型,计算参数如表2所示。

2  模型计算参数

3计算结果分析

2为隧道覆土深度为0.5D时(D6.2m),隧道在不同堆载范围下的上浮量减小值。从图中可以看出,当堆载宽度(隧道中心到堆载边缘的距离)增加到2.5D后,隧道上浮量显著减小。图3为堆载高度为2m、宽度分别为2.5D3D时,隧道的竖向变形云图。从中也可以看出,当堆载宽度增加到3D时,隧道的上浮量显著减小。

计算得到无堆载情况下,覆土深度为0.5D时,隧道的上浮量为3.74cm。从图2可以看出,当堆载范围达到宽度4D、高度2m时,上浮量减小2.77cm、达到0.97cm时,满足隧道上浮量的控制要求。

4,图5分别为覆土深度为1D1.5D时,隧道在不同堆载范围下的上浮量减小值曲线。从图中可以看出,在这两种覆土厚度下,当堆载宽度增加到2.5D后,隧道上浮量也显著减小。所以,建议控制隧道上浮时,堆载宽度要大于隧道直径的2.5倍。隧道在不同覆土深度下的堆载控制范围汇总于表3

2 覆土深度为0.5D时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线

3 覆土深度为0.5D时隧道位移云图

4 覆土深度为1D时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线

5 土深度为1.5时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线

3 堆载控制值

结合隧道覆土深度、堆载宽度和堆载高度,为了让堆载宽度达到3D的显著降低上浮量的宽度,建议堆载范围超过60度。当堆载范围过大时,堆载降低上浮量的效果降低,结合覆土0.5时的工况计算结果,建议堆载宽度范围在20°内效果较好。所以,建议堆载宽度落在隧道20°和60°的影响范围内,能有效地控制隧道上浮;并应根据隧道覆土深度适当调节堆载宽度和堆载高度(图6)。

6 建议堆载范围

4结论

通过对南京地面出入式盾构隧道的地表堆载高度、宽度以及隧道埋深进行数值参数分析,可以得出以下结论:

(1)地面堆载是一种较容易实现、且具有明显效果的抗浮措施。其抗浮效果受覆土厚度、堆载宽度、堆载高度影响。

(2)在覆土厚度为0.5~1.5D为隧道直径)时,堆载宽度增加到2.5后,隧道上浮量减少明显。

(3)通过计算得到了在三种典型覆土条件下,南京背景工程的堆载建议范围和堆载高度。

作者:冷建 叶冠林 吴惠明 滕丽

转自《CTCU暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会》

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