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盾构近接隧道施工力学行为分析
盾构近接隧道施工力学行为分析
摘要:
在地下工程近接施工中,新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态,从而对既有结构物产生各类不利阻碍。
由于新建结构物的受力模式不同于半无穷体或无穷体中修建单一洞室的一样状况,其初始应力场往往通过量次扰动,施工时将再次进行扰动,表现出极大的变异性。
通过三维仿真计算,模拟了盾构机上作用3种不同推动力时对既有运营隧道变形和主应力的阻碍,以对是不是加固既有运营地铁隧道给出建议,同时对最大推动力作用下随着盾构隧道的开挖对既有地铁隧道轨底倾斜度的阻碍进行了分析。
分析计算得出的结论关于盾构隧道设计和施工有必然指导意义。
关键词:
盾构掘进;交叉隧道;非线性有限元分析;力学行为分析
1引言
随着我国地铁建设的迅速进展,地铁网络不断完善,城市地下空间开发利用的规模也在不断扩大,但是,这也使得新建盾构隧道近距离穿越既有地铁隧道及其他各类地下建筑物的现象越发普遍。
如何操纵盾构隧道近距离穿越地下建筑物所引发的地层位移,以确保既有地下结构设施的正常利用和新建盾构的顺利掘进,关于我国城市地铁建设和地下空间开发利用具有重要的指导作用。
在地下工程近接施工中,新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态,从而对既有结构物产生不利阻碍。
新建地下结构的受力模式也不同于半无穷体或无穷体中修建单一洞室的一样状况,其初始应力场往往是通过量次扰动,施工将引发再次扰动,其受力往往是非对称的,表现出极大的变异性。
归纳地讲,新建结构物的施工会使围岩从原先的3次应力场演变到5次应力场。
正是这种应力场的演变致使了既有结构和新建结构的受力变异,造成既有结构的平安性和新建工程施工的复杂性问题,这是不可回避和必需加以解决的问题,因此研究其复杂的受力机理和相应计谋已成为当务之急。
国内外对盾构隧道和其近接和交叠等施工力学行为的研究也方兴未艾,进行了诸多研究[1-7]。
本文基于地下工程开挖的力学行为原理和在有限元数值模拟的基础上,对隧道开挖采纳“生死单元”进行模拟,并提出采纳重叠单元的方式模拟盾构的推动进程。
利用盾构施工引发的地层损失机理,针对北京地铁10号线新建盾构隧道垂直交叉穿过既有1号线运营地铁隧道的工程实例进行三维仿真分析。
依照数值计算结果。
研究了近接盾构隧道施工力学行为,对新建盾构隧道的施工操纵和既有结构的加固方法等提出了有利的建议,并研究了最大推动力作用下随着盾构隧道的开挖对既有地铁隧道轨底倾斜度的阻碍问题,通过模拟盾构机上作用三种不同的推动力,研究了推动力对既有运营隧道变形和主应力的阻碍,得出的结论关于盾构隧道的设计和施工有必然的指导意义。
2三维有限元分析模型
有限元模型网格及计算采纳的材料参数
新隧道与既有隧道垂直交叉,分析区间的两个既有隧道相距10m,且为运行地铁隧道,截面形状为三心圆截面,衬砌由素混凝土组成。
新隧道从既有隧道下方垂直通过,最近仅相距m,新隧道采纳盾构法施工,管片宽度为m。
由于两既有隧道相距为10m,两新隧道相距为80m,故分析只取一条新隧道。
计算采纳大型有限元软件ANSYS进行三维开挖分析,三维有限元模型尺寸为长m,宽50m,高50m,通过优化后的网格如图1所示,共有33450个单元,89780个节点,计算所利用的是ANSYS所提供的Solid95三维20节点等参单元。
计算模型约束条件为左右双侧、前后双侧施加水平方向的单向位移约束,下侧施加竖直方向的单向位移约束,上侧为自由端。
施加荷载为重力荷载。
模拟计算中,管片厚度取为30cm,盾壳厚度取为6cm。
模型计算采纳的地层材料参数见表1[8]。
开挖进程模拟
既有隧道采纳全断面一次性开挖模拟,而且一次性施做衬砌,即先计算初始静力场,然后全断面开挖,接着修筑衬砌。
新隧道每次推动距离为管片衬砌的宽度为m。
由于管片是处于盾壳爱惜下拼装完毕的,因此模拟开始需先模拟盾壳支护作用,即改变材料为钢壳材料,同时在开挖面上施加压力P来模拟盾构的推动力,后进行开挖,开挖部份为管片和管片内部所在的土体。
当盾构向前行进时盾壳抽出向前,现在盾尾处的管片会露出,需要对盾尾留出的间隙进行注浆填充,以避免上部隧道沉降,此步需要从头激活被杀死的管片单元,改变此部份单元的材料为混凝土材料,同时改变盾尾间隙的材料为填充材料。
在采纳“生死单元”模拟盾构开挖进程中,一样是先将土体单元“杀死”,然后在后续荷载步里“激活”被“杀死”的单元,同时改变材料特性。
但是,在模拟盾构开挖进程中,若是采纳上述方式,那么会使土体在盾壳未支护下已先变形,这与盾构法施工的实际情形不同专门大。
因为盾构施工进程中,盾壳的推动(支护)与盾壳所在位置土体的破坏是同时完成的,土体的开挖是在盾壳的爱惜下进行的,如此,土体的变形和应力状态与实际受力状况有专门大不同。
因此,为了专门好的模拟盾壳的支护作用,本文提出在盾壳所在土体单元上生成一层与土体单元材料不同的重叠单元。
模拟进程中,先杀死材料为钢材(盾壳)的重叠单元,然后在后续荷载步计算进程中再杀死盾壳所在层的土体单元,同时激活相应位置的盾壳单元,并改变材料特性为盾壳材料。
如此在此荷载步中,在盾壳支护下进行的土体开挖计算更符合实际受力进程。
3计算结果分析
以往的工程计算说明,关于垂直交叉隧道问题,新隧道阻碍既有隧道的范围一样从距离为8m左右开始阻碍比较大,即新隧道工作平面距离既有隧道的轴线为8m将既有隧道自身受阻碍分析取7个截面,每一个截面相隔为4m,所取截面1位于两隧道垂直交叉的正上方,沿左右方向每4m,别离取3个截面,即要紧分析既有隧道的受阻碍距离为24m。
1号截面随盾构开挖产生的位移和应力分析
由于1号截面恰好位于新建盾构隧道轴线的正上方,即最危险的截面,整个开挖进程中的既有隧道衬砌的最大位移和主应力随开挖推动的转变见图2。
以下仅给出盾构机工作平面上作用的最大推动力P=1MPa时的结果。
图二、图3别离为既有隧道衬砌最大位移、最大水平位移与推动步数关系。
从图2能够看出,整个开挖进程既有隧道衬砌竖向发生了向上的隆起,这要紧受盾构工作平面所施加的推动力有关,因此施工时需要严格操纵盾构机的施工参数。
另外,左右隧道衬砌的最大竖向位移相差mm左右,不是发生在同一开挖步内,左侧既有隧道衬砌的最大竖向位移要大于右边既有隧道衬砌的位移,这是由于在同一推动力作用下左右双侧既有隧道的受力不是对称的。
从图3能够看出,左右隧道衬砌的最大水平位移相差mm左右,且右边最大水平位移发生在第21步,即盾构工作平面推动到两隧道中间的下方,而左侧最大发生在第25开挖步。
两隧道水平位移最大数值并非是都发生在工作平面推动到既有隧道正下方,这是由于盾构的通过时盾构机中的千斤顶反力需要必然的积存才能使得对既有隧道水平位移的阻碍显现出来,因此左侧既有隧道衬砌的水平位移要大于右边既有隧道衬砌的水平位移。
由图4能够看出,左右两既有隧道衬砌最大主拉应力的数值均超过了2MPa,且右边衬砌最大数值大于左侧既有隧道衬砌。
从第9开挖步开始,最大主拉应力数值突变比较大,两既有隧道衬砌最大主拉应力在此步开挖时均超过MPa,这也与一些已经完成的工程所得结论一致,即盾构工作平面距离右边既有隧道轴线距离10m左右时,盾构机进入了关于既有隧道阻碍比较大的范围之内,施工进程中当盾构推动到此范围时应严格进行监测,而且实时调整盾构机的参数。
从图4和图5中还能够看出,既有隧道衬砌最大主拉应力和主压应力数值与盾构工作平面距离既有隧道的距离有专门大的关系。
当盾构工作平面距离既有隧道9m左右时阻碍凸现出来。
既有隧道受新盾构隧道开挖产生的阻碍范围
通过既有右边隧道受新盾构开挖阻碍产生的竖向和水平向位移的范围能够分析既有隧道受新盾构隧道开挖产生的阻碍范围。
从图6和图7(图中箭头方向表示盾构推动步数的增加)能够看出,随着新建盾构隧道的盾构机向既有隧道推动,既有隧道的变形与盾构隧道推动方向一致。
在推动力P=1MPa时,右边既有隧道衬砌水平位移在第21开挖步时水平位移达到最大为mm。
另外,在第17开挖步时竖向隆起达到最大,数值为,当盾构通过时水平位移和竖向位移均相关于盾构推动方向回落。
从水平和竖向位移二者来综合分析能够看出,既有右边隧道受开挖所阻碍的范围在50m左右,即在此范围内右边既有隧道衬砌的水平位移和竖向位移均超过了1mm。
计算分析还发觉,左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移转变规律与右边既有隧道衬砌转变大体一致。
不同的是,左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移均比右边大,这要紧由于受盾构开挖推动的不对称阻碍,致使两隧道在开挖进程中受力不对称,故最后变形幅度不同。
刀盘不同推动力对既有隧道产生的阻碍
由于盾构在推动进程中地质和周边环境的转变,盾构机参数的调整是一个实时的进程。
模拟进程中要紧采纳推动力P=1,,MPa三种工况。
由图8可看出,当推动力减小一半时右边既有隧道衬砌的最大竖向及水平位移都有不同程度的减小,具体为最大竖向位移从隆起mm减小到mm,减小幅度大约为%,而最大水平位移从mm减小到mm,减小幅度大约为%;当推动力减小70%时竖向位移从隆起表现为沉降mm,水平位移减小到,减小幅度大约为80%,从位移减小幅度上能够看出推动力是直接阻碍既有隧道衬砌位移转变的要紧因素。
在最不利工况P=1MPa下,既有隧道衬砌的最大主压应力为MPa。
关于由素混凝土组成的既有隧道衬砌来讲,主压应力在材料许诺的范围之内,因此研究要紧针对不同推动力作用下,对既有隧道所产生的最大主拉应力进行分析。
由计算分析可知,当推动力减小一半时,既有隧道衬砌所受最大主拉应力明显减小,减小幅度从MPa到MPa。
当推动力减小70%时,既有隧道衬砌最大主拉应力减小到MPa,并可发觉既有隧道衬砌所受主拉应力数值超过MPa的区域明显地减小,具体为右边隧道衬砌的拱腰部份的较大主拉应力消退比较明显,能够得出避免既有隧道衬砌开裂的一个要紧方法确实是要严格操纵施工时的盾构机推动力参数。
轨底倾斜度分析
既有隧道为运营地铁区间隧道,在新建盾构隧道推动穿越既有隧道进程中应付既有地铁隧道轨底倾斜进行实时监测。
分析时将左右两个隧道衬砌钢轨处各取两点作为结果分析的2个点,这要紧考虑穿越进程中既有隧道衬砌截面会产生挤压或倾斜的变形,取2个点来近似模拟钢轨与衬砌结合点的变形。
从图9和图10中能够看出,在新建盾构隧道整体开挖进程中,2个既有隧道轨底竖向位移差数值均在1mm之内。
通过模拟计算能够说明,穿越关于既有运营隧道轨底倾斜阻碍不是专门大,可是需要注意在既有地铁隧道运营期间穿越,必然要慢,而且要持续通过。
4既有隧道加固分析
对交叉隧道的模拟仿真结果说明,不同推动力关于既有隧道的最大主拉应力有专门大的阻碍。
由于既有隧道衬砌由素混凝土组成,使得既有隧道衬砌在盾构大推动力作用下可能产生裂痕,有必要关于既有隧道衬砌进行预加固处置。
依照地下铁道设计标准[9],采纳双线既有隧道加固范围为2m左右,具体为两既有隧道中间土体全数加固,隧道上方及外侧土体2m左右范围加固,隧道底部即与新建盾构隧道之间的交叉土体m范围需要加固。
从图11中可看出,加固前后右边既有隧道衬砌位移随开挖转变上的规律大体一致,可是变形幅度明显下降,加固后竖向位移降为mm,相关于加固前的下降幅度为17﹪左右。
加固后水平位移降为mm,下降幅度为34﹪。
从下降幅度上能够看出,在一样推动力作用下加固关于水平位移的阻碍要远大于竖向位移,这对施工时的操纵变形会有必然的借鉴作用。
关于左线既有隧道,其加固前后衬砌位移的转变规律和右线大体一致。
通过计算分析,还能够得出加固后左、右边既有隧道衬砌中部外侧最大主拉应力明显要小于加固前,而且整个隧道受盾构开挖阻碍的主拉应力范围相关于加固前有所减小,见表2。
5结论
通过三维仿真模拟可见,新建盾构隧道的施工关于既有运营地铁隧道有必然的阻碍,但只要严格进行盾构施工参数的操纵,并增强对新建和既有隧道的现场监测,可将新建盾构隧道对既有隧道的阻碍程度降到最小。
(1)当盾构向前推动时,既有隧道衬砌最大竖向位移发生在新建盾构隧道开挖到既有隧道的正下方。
最大水平位移为沿盾构机前进方向,发生在盾构工作平面超过左侧既有隧道轴线m处。
最大主拉应力和最大主压应力发生在盾构机处在既有隧道的正下方。
(2)随着新建隧道盾构机向既有隧道的推动,既有右边隧道受开挖所阻碍的范围在50m左右。
在盾构推动的同时应增强对既有隧道受阻碍范围的现场监测。
(3)盾构推动力是阻碍既有隧道衬砌变形和受力状态的要紧因素,应在施工进程中严格操纵盾构机推动力参数,避免既有隧道衬砌开裂。
(4)通过模拟计算说明,新建盾构隧道整体穿越进程中对运营隧道轨底倾斜阻碍不是专门大。
可是,在穿越既有地铁隧道运营期间,必然要慢,而且要持续通过。
(5)通过对既有隧道的加固分析可知,加固后既有隧道衬砌变形幅度显著下降,且中部衬砌外侧最大主拉应力明显要小于加固前,整个隧道受盾构开挖阻碍的主拉应力范围也相对减小,这对施工时的操纵变形会有必然的指导作用。
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