地下工程近接施工一般力学原理

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1、地下工程近接施工一般力学原理地下工程近接施工一般力学原理地下工程近接施工一般力学原理地下工程近接施工一般力学原理仇文革 教授西南交通大学地下工程系第三章 近接施工力学原理及对策受力特征与分类应力重分布与分区对策研究（近接问题处理方法）工程案例（深圳重叠隧道）主要内容第一节 地下工程近接分类地下工程近接施工的类型千变万化，错综复杂，如何研究和解决这类问题？经过分析研究，认为近接施工最主要的问题是新建工程将会对既有工程原来的稳定性产生影响。这种影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化。这种受力特征会因工程修建的时间先后关系、空间位置关系及其施工方

2、法的不同而不同。三大基本类型三大基本类型：（1）新建工程接近既有隧道施工(2) 新建隧道接近既有工程（3）两条及以上隧道近距离同期施工第一节 地下工程近接分类根据各类近接施工的受力特征建立力学模型根据各类近接施工的受力特征建立力学模型， 从而对其影响进行分析从而对其影响进行分析，其力学模型和分析方法总其力学模型和分析方法总 结于下表结于下表。第一节 地下工程近接分类各类近接施工的受力特征和力学模型归结于下表各类近接施工的受力特征和力学模型归结于下表。第一节 地下工程近接分类在近接施工中，新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态，产生种种不利影响，同时新建结构物的受力模式也不同于半无限体中修建

3、单一洞室（上讲课已讲述）的一般情况。这就造成了更为复杂的受力机理。第二节 应力重分布与分区00.58 3（ ）021（ ）坑道开挖后的弹性弹性二次应力状态（上讲课内容）第二节 应力重分布与分区开挖后洞室周边的应力分布第二节 应力重分布与分区两隧道中心间距不同产生的应力集中系数当隧道中心间距越小当隧道中心间距越小 时时，隧道周边的应力越隧道周边的应力越 大大，从而引起隧道周围从而引起隧道周围 应力重分布发生恶化应力重分布发生恶化。 当当S/DS/D趋于趋于1 1时时， 趋于趋于 无穷大无穷大，这意味着两零这意味着两零 净距洞室开挖后无法稳净距洞室开挖后无法稳 定定。 两洞室邻近开挖的相两洞室邻近

4、开挖的相 互影响也是存在着一个互影响也是存在着一个 范围的范围的，越近影响越大越近影响越大， 反之越小反之越小，远到一定距远到一定距 离离，影响就消失了影响就消失了B坑道开挖后形成塑性塑性的二次应力状态与分区第二节 应力重分布与分区注：上讲课内容开挖后有支护的三次应力状态与分区第二节 应力重分布与分区数值分析理论与分区第二节 应力重分布与分区不同阶段或不同过程造成的释放率是不同的，因此其受力与变形的结果也是不同的，体现了与路径的相关性。对近接施工而言，新建侧选择不同支护及开挖顺序就意味对既有侧会产生不同的影响。第二节 应力重分布与分区第二节 应力重分布与分区近接影响程度分区第二节 应力重分布与

5、分区近接施工的影响不仅存在着局域性，而且在局部的范围内应力重分布是有梯度变化的，这也表明影响程度是不同的，因此提出近接施工影响分区及标准。第二节 应力重分布与分区（1）对既有隧道或工程采取加强措施 回填压浆，拱架加强，内衬加强，锚固加强 (2）对新建隧道或工程预先采取措施 改变开挖方式，改变衬砌、支护结构 （3）对既有工程和新建工程之间的围岩采取加固 强化、改良地层（压浆、冻结）；隔断（管 棚、钢管桩） （4）把以上两种或三种方法综合运用第三节 对策研究国贸国贸老街老街罗大段工程环境鸟瞰图罗湖罗湖第四节 案例之一深圳重叠隧道第四节 案例之一深圳重叠隧道第四节 案例之一深圳重叠隧道 洞型多洞型多

6、 (有单洞双层、双洞（交错）重叠和双洞平面并行三种）第三节 案例之一深圳重叠隧道 单洞双层隧道断面高单洞双层隧道断面高（高 13.015.6m 最宽6.8m）第三节 案例之一深圳重叠隧道 双洞重叠隧道净距小双洞重叠隧道净距小 （1.6m10.8m ）。 全段隧道空间转换复杂。1.6 1.6 m13.0 13.0 15.6 15.6 m2号竖井第四节 案例之一深圳重叠隧道研究方法主要采用： 调研； 理论分析与计算； 室内模型试验； 现场模型试验； 现场监测等。第四节 案例之一深圳重叠隧道分析图： 一洞室埋深10m，另一洞室沿其四周分布于不同位置2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析判定标准

7、：塑性区和最大主应力重分布的双重标准。计算系列：总共 38 组，见下表。上/下洞埋深两洞连线的水平角度两洞净距施工顺序上洞 埋深 10m / 下洞 埋深 变化-900.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D“先上后下”“先下后上 ”-601.0D、2.5D-450.5D、1.0D、1.5D、2.0D-301.0D00.5D、1.0D、1.5D151.75D302.0D451.1D900.5D2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析限于篇幅，以两洞水平进行分区判定说明。单洞开挖净距0.5D净距1.0D净距1.5D0.5D时，塑性区贯通；1.0D时，强影响区和弱影响区的分界点；1.5D时

8、，近接影响忽略不计。2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析限于篇幅，以两洞水平进行分区判定说明。单洞开挖净距0.5D净距1.0D净距1.5D0.5D时，应力重分布剧烈；1.0D时，近接影响较明显；1.5D时，应力重分布程度非常小。2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析近接影响分区标准表（L-净距，D-洞径）2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析工况强影响区域弱影响区域无影响区域两洞连线 -90L2.0D2.0D L 3.0DL3.0D两洞连线 -60L1.75D1.75D L 2.5DL2.5D两洞连线 -45L1.5D

9、1.5D L 2.0DL2.0D两洞连线 0L1.0D1.0D L 1.5DL1.5D两洞连线 15L1.0D1.0D L 1.75DL1.75D两洞连线 30L1.1D1.1D L 2.0DL2.0D两洞连线 45L1.1D近接影响分区图2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析近接影响分区图近接影响分区图2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准1）数值分析2）现场测试验证隧道净距小于1.0 D 上洞开挖对下洞 影响严重。下洞拱顶下沉曲线 在上洞掌子面开挖 到该断面时都有一 个回升段。其原因是由上洞开 挖造成下洞拱顶处 应力释放，从而引 起曲线回弹。回归曲线方程：y32

10、.31*(1-EXP(-x*0.107)0510152025303540020406080 时间（d）位移（mm）实测值 回归值下洞开挖上洞开挖下洞ZSK2490拱顶下沉曲线及回归曲线（r2=0.88）2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准隧道净距1.0 D 1.5 D 上洞开挖对下洞影响较小。下洞拱顶下沉曲线在上洞掌子面开挖到该断面时也存在回升段，但是不明显，属于弱影响。回归曲线方程：y37.71*(1-EXP(-x*0.177)051015202530354001020304050 时间（d）位移（mm）实测值 回归值下洞开挖上洞开挖下洞ZSK2542拱顶下沉曲线及回归曲线（r2=0.98）2

11、浅埋暗挖法两隧道的近接度标准2）现场测试验证回归曲线方程：y31.27*(1-EXP(-x*0.104)0510152025303505101520253035 时间（d）位移（mm）实测值 回归值隧道净距大于 1.5 D上洞开挖对下洞 无影响。下洞拱顶下沉曲 线在上洞掌子面 开挖到该断面时 不存在回升段。上洞开挖下洞开挖下洞ZSK2727 拱顶下沉曲线及回归曲线（r2=0.967）现场监测结果分析表 明，隧道近接分区标 准符合实际情况。2 浅埋暗挖法两隧道的近接度标准2）现场测试验证1）重叠隧道设计分段2）重叠隧道施工顺序3）重叠隧道工作面合理间距4）不同洞型空间转换方法主要内容：3 重叠隧

12、道的设计与施工技术1）重叠隧道设计分段研究（1）深圳重叠隧道近接度分区按照深圳地铁重叠线路隧道实际洞型分布形态，得出该工程两隧道近接影响程度判定结果3 重叠隧道的设计与施工技术重叠隧道的设计与施工技术（1）深圳重叠隧道近接度分区与日本铁路隧道近接度分区标准相比：在下半空间范围内接近，其它范围有所差异1）重叠隧道设计分段研究3 重叠隧道的设计与施工技术重叠隧道的设计与施工技术（2）深圳重叠隧道近接影响分段双洞重叠隧道相互影响情况分段表洞 型净距大小里 程两洞位 置关系影响 分区长度(m)双洞 重叠 隧道小于等于0.5DK2+382.75K2+483 下45度区强影响100.520.5D1.0DK

13、2+483K2+518强影响720.5D1.0DK2+518K2+555上45度区强影响371.0D1.5D K2+555K2+610弱影响551.5D以上K2+610K2+728.7无影响118.71）重叠隧道设计分段研究3 重叠隧道的设计与施工技术（3）深圳重叠隧道分段设计参数确定 当左线隧道位于右线隧道下45区，且两隧道净距小于1.0 D时，设计支护参数加强两级。 当左线隧道位于右线隧道上45区，且两隧道净距小于1.0 D时，设计支护参数加强两级。 当左线隧道位于右线隧道上45区，且两隧道净距小于1.5 D时，设计支护参数加强一级。 当左线隧道位于右线隧道上45区，且两隧道净距大于1.5

14、 D时，按一般单线隧道设计。1）重叠隧道设计分段研究3 重叠隧道的设计与施工技术2）重叠隧道施工顺序研究分析方法：数值模拟；模型试验。施工方案：工1 - “先上后下”；工2 -“先下后上”。围岩条件：上下洞V级；上洞V级，下洞级；上下洞级。3 重叠隧道的设计与施工技术（1）数值模拟塑性区级围岩洞周围岩塑性区分布上部级下部级围岩洞周塑性区分布2）重叠隧道施工顺序研究工1工1工2工2 上下洞皆处于V级围岩，工1的塑性区范围略大于工2； 上洞处于V级而下洞处于级围岩时，工1和工2的上洞围岩塑性区相当，下洞围岩无塑性区，两洞之间围岩内塑性区不相连。3 重叠隧道的设计与施工技术（1）数值模拟塑性区工1工

15、2级围岩洞周围岩塑性区分布 上下洞皆处于级围岩，工1和工2隧 道周边围岩都没有塑性区。2）重叠隧道施工顺序研究3 重叠隧道的设计与施工技术（1）数值模拟初期支护安全系数 工1与工2的上下隧道初期支护最小安全系数均满足规范要求； 地质条件相同，工2的上洞安全系数大于工1的安全系数； 地质条件相同，工1的下洞安全系数大于工2的安全系数。2）重叠隧道施工顺序研究3 重叠隧道的设计与施工技术围岩条件方案上下洞最小安全系数V级工1上洞5.32下洞5.41工2上洞7.35下洞2.42上部级 下部级工1上洞10.9下洞13.64工2上洞12.03下洞11.35级工1上洞6.19下洞35.86工2上洞49.49下洞5.24（1）数值模拟地表位移工1与工2施工引起的地表沉降最大值都能满足要求； 级围岩条件下，工1引起的地表沉降略小于工2； “上软下硬”地层中，工1引起的地表沉降略大于工2； 级围岩条件下，工1引起的地表沉降略大于工2。2）重叠隧道施工顺序研究3 重叠隧道的设计与施工技术围岩条件方案地表沉降最大值(mm)位置V级工工1 1- -20.1820.18拱顶 正上方 地表面工工2 2- -23.5223.52上部级 下部级工工1 1- -10.3610.36工工2 2- -9.769.76级工工1 1- -0.600.60工工2 2- -0.500.50（2）模型试验