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1、热烈祝贺第八届海峡两岸隧道与地下工程学术及技术研讨会召开 1 青岛地铁近距离交叠隧道施工数值模拟与变形控制研究 王渭明山东科技大学E mail wang 2 提纲 1 工程背景2 研究方案与技术路线3 研究内容与成果4 结论 3 1 工程背景 青岛地铁规划待建的地铁线为5条约115里 其中的交叠工程有20处 自身交叠13 4 13处 5 2 研究方案与技术路线 6 3 主要研究内容与成果 3 1 交叠隧道主影响因素正交数值分析3 2 既有隧道衬砌计算模型3 3 青岛交叠隧道变形规律研究3 4 交叠隧道变形特征与控制方法研究 7 3 1 主影响因素正交数值分析 3 1 1因素 水平 指标 8 埋
2、深H 净距h 围岩参数E C 岩层 表土层 新线隧道 既有隧道 开挖方向 地表 9 拱顶最大沉降量 拱底最大沉降量 拱顶最大下沉坡度 对拱底最大下沉坡度 地表最大沉降量 塑性破坏区体积 拱顶最大拉应力 拱顶最大拉应力 指标 10 3 1 2模拟的实现 既有线路隧道 下部新建隧道 模型交叠区加密段 11 钢筋砼支护实体单元模拟 锚杆支护cable结构单元模拟 初喷砼支护shell结构单元模拟 开挖面初喷砼支护shell结构单元模拟 隧道未开挖段 12 3 1 3研究结论 1 影响因子对考察指标的影响力排序 13 既有隧道拱底变形槽与拱顶变形槽 14 B B A A A A B B 既有隧道衬砌拱
3、底拱顶最大拉应力云图 15 2 新隧道开挖引起既有隧道衬砌拱底最大沉降量的回归公式 式中 16 建立模型 弹性地基梁模型 假设梁底面与地基表面始终紧密相贴 即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等 新线隧道 既有隧道衬砌弹性梁模型 3 2 既有隧道衬砌计算模型 17 求解 AB段 可由初参数法求出BC段 k 0 18 BC段边界条件 B点 C点 对称 O点 中点 19 结论 其中 S1 分别为新隧道开挖引起的既有隧道衬砌拱底变形槽反弯点处的沉降量和最大坡度角 为了防止衬砌开裂破坏 应该提前在既有隧道施工时 在衬砌变形槽反弯点处设置变形缝 20 3 3 交叠隧道变形规律研究 近距离交叠隧道的开挖会对
4、地层产生两次施工强扰动 进而会显著增大地表的变形 同时地面沉降区的变形形态也会发生复杂变化 从单条隧道开挖的地表沉降槽向复杂的沉降漏斗转变 21 地表沉降漏斗的形成过程仿真模拟 22 模拟数据分析 先开挖下部隧道 后开挖上部隧道先开挖上部隧道 后开挖上部隧道 23 地表变形规律特征 1 下线隧道开挖时 地表最大沉降量位于两条隧道轴线交点 最大沉降量为19 13mm 2 在下线 上线隧道同时开挖时 地表形成的最大不均匀沉降槽与上线隧道轴心斜交 角度基本呈42度 并偏向埋深较浅的隧道轴线 3 上线隧道轴线方向最大水平位移出现在距下线隧道轴线两侧1 25倍隧道洞径处 下线隧道轴线方向最大水平位移出现
5、在距上线隧道轴线两侧1倍隧道洞径处 地表最大水平位移出现在距交叠隧道轴线交点12 7m处 24 4 先开挖下部隧道比先开挖上部隧道将产生更大的地表变形 而且地表沉降槽曲线的斜率也会增加 5 如先开挖上部隧道 在开挖下部隧道时 上部隧道能够起到阻隔下部隧道开挖影响的作用 减少地表变形 建议首先开挖上部隧道 而后进行近距离下部隧道的开挖 25 近距离交叠隧道围岩变形特征 5点 1 两条隧道的塑性破坏区会相互联通 26 2020 4 4 27 已开挖隧道段 开挖面 未开挖隧道段 既有隧道 交叠隧道夹层假象平面 开挖引起的沉降槽 沉降槽范围 沉降槽范围 最大沉降量S 2 由于进入地层沉降槽的位置不同
6、导致既有隧道衬砌不同截面的变形不同从而引起不均匀变形 28 3 下部新线隧道穿越既有隧道的施工过程中 由于横向不均匀变形使既有隧道拱角处将承受较大弯矩作用 29 30 截面1 截面3 截面2 31 4 既有隧道衬砌拱顶 拱角 直墙 拱底均承受拉应力 这些部位容易产生破坏 32 5 施工中既有隧道衬砌拱角处将出现较大弯矩 33 3 4 交叠隧道变形控制 1 选定了五种工程加固措施 通过模拟 研究它们的加固效果和加固特点 比较分析其变形特征 敏感性参数 表2和表3 加长新线隧道衬砌拱角的锚杆长度 增加新线隧道初喷砼的厚度和标号 设置超前注浆小导管 在新线和既有隧道直墙底部设置锁脚锚管 既有隧道拱底
7、注浆加固 五种工程加固措施 34 表2不同加固措施的变形特征参数 35 表3不同加固措施的变形特征参数相对 方案的增量 36 2 建议加固方案 方案1 加长拱角锚杆 增加初喷砼刚度 拱底注浆方案2 加长拱角锚杆 超前注浆小导管支护 锁角锚管通过对比 建议新线隧道施工时采用方案2 37 表4建议方案交叠工程变形特征参数 38 3 开挖方案优化与控制参数 采用方案2加固 对台阶法 双侧壁导洞法 CRD法等三种施工方法穿越隧道的施工过程进行了开挖模拟分析 给出了不同施工方法每开挖步所产生的拱顶沉降量和分步开挖的变形控制标准 提出了近距离隧道穿越既有隧道的建议施工方法和控制参数 39 开挖动态过程 现
8、浇砼支护 初喷砼支护 锚杆 第一步模拟开挖上部台阶并支护 第二步模拟开挖中部核心土 第三步模拟开挖下台阶并初支护及现浇砼衬砌 锁脚锚管 初喷砼支护 台阶法开挖断面网格划分 40 第一步模拟开挖左右导洞并支护 第二步模拟开挖中间上台阶并支护 第三步模拟开挖中间下台阶并初支护 拆除隔墙及二次现浇砼衬砌 眼睛法开挖断面网格划分 初喷砼支护 锚杆 锁脚锚管 锁脚锚管 初喷砼支护 现浇砼支护 钢支撑隔墙Beam模拟 41 第一步模拟开挖左上导洞并支护 第二步模拟开挖左下导洞并支护 CRD法开挖断面网格划分 第三步模拟开挖右上导洞并支护 初喷砼支护 锚杆 锁脚锚管 初喷砼支护 中隔墙 中隔墙 临时仰拱 第
9、四步模拟开挖右下台阶并初支护 拆除临时仰拱和中隔墙 二次现浇砼衬砌支护 现浇砼支护 42 43 44 开挖过程中地层与衬砌的动态变形特征参数 表5三种开挖步距沉降量贡献百分比 45 6 01 弧度 5 97 弧度 5 41 弧度 46 a 台阶法开挖时 b 眼镜法开挖时 c CRD法开挖时 47 48 4 结论 1 建议新线隧道穿越既有隧道施工 采用台阶法 CRD法 台阶法的施工方式 这两种不同施工方法变更的具体位置为 在开挖面距离既有隧道轴线18m时 开挖方法由台阶法变为CRD法 待穿越成功 开挖面通过距离既有隧道轴线16m后 再改回台阶法施工 49 2 既有隧道衬砌中多处承受着较大拉应力 为防止衬砌开裂破坏 应加强监测 必要采取补强措施 3 为防止既有隧道衬砌不均匀变形所产生的应力集中 应该在既有隧道衬砌变形槽最大下沉坡角截面处设置变形缝 50 谢谢 51 2020 4 4 52
