大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验

发布时间：2019-09-16 14:13

【摘要】：南京某地下步行通道采用非开挖顶管法施工,顶管近距离穿越既有地铁区间隧道及城市主干道。为了保证隧道及主干道安全,施工前建立三维有限元计算模型,模拟施工全过程,预测施工可能引起的隧道及地表变形。根据数值模拟结果提出针对性控制措施,并制定合理的监测方案,分别对隧道竖向位移、水平位移、径向收敛和地表隆沉进行监测。基于监测数据分析隧道及地表变形规律,明确顶管施工期间隧道及地表变形的3个不同发展阶段。研究表明:隧道竖向位移主要表现为隆起,由通道内出土卸荷所引起,工作井基坑开挖对其影响几乎可以忽略;顶管施工过程中,下覆隧道竖向位移先后经历了初始下沉、隆起增强和隆起稳定3个阶段,地表竖向位移先后经历了隆起增强、隆起减弱和沉降3个阶段;同一监测断面内,地表最大沉降位于通道中心轴线上方,距离通道越远沉降越小;采用微欠挖工艺有效控制了隧道最终隆起和地表最终沉降。
【图文】：

9)(25.2)(.12)(1.05)(0.95)(0.89)(0.80)(3.45)(3.53)(4.01)(11.04)(11.77)(3.4)(5.3)(13.9)(20.2)1(28.4)(32.8)(37.3)图2土层基本物理力学参数Fig.2Physicalandmechanicalparametersofsoils2.3施工进度从2015年6月24日第1节管节顶入至2015年7月21日通道全部顶通，历时28d。其中，7月17～20日由于接收井洞门破除，未进行顶进施工，实际工作时间仅24d，平均日顶进量约为4m。7月3日，顶管机穿越下行线隧道；7月12～13日，顶管机穿越上行线隧道。3数值模拟研究3.1数值模型建立图3为三维有限元计算模型，其中X方向为地铁隧道走向，Y方向为顶管顶进方向，Z方向为基坑开挖方向。为消除尺寸效应的影响，自始发井和接收井基坑边界向四周延伸3倍的基坑开挖深度，模型长210m、宽190m、厚80m。为了方便下文表述，把始发井基坑称为基坑I，下沉式广场前期施工部分成为基坑II，后期施工部分称为基坑III。图3有限元计算模型Fig.3Finiteelementmeshes为减少计算过程中网格畸变，并提高计算的精度，网格采用“四面体+六面体”混合网格。分别采用实体单元、板单元和梁单元模拟地基土层、地连墙、基坑内水平支撑及立柱。模型四周设置为X方向或Y方向的单向约束，模型底面设置为X，Y，Z三个方向的固定约束，顶面为自由面，允许其自由变形。根据顶管施工专项方案，模拟时把掘进面压力(P=120kPa)简化为矩形均布荷载施加在顶管机前方矩形开挖面上，且在顶进过程中保持不变。3.2计算参数选取土体本构采用莫尔 库仑本构模型，，各参数见表1。基坑坑底3m范围内采用三轴搅拌桩进行加固，固化土28d无侧限抗压强度不低于1.0MPa，因此加固土的弹性模量可取120MPa[18]。基坑地连墙、水平支撑及立柱、隧道及顶

测内容及方案为了利用现场反馈的实际信息优化施工参数、指导施工，以及验证前述隧道及地表变形控制措施的有效性，需要对隧道及地表变形进行监测。根据前述数值模拟结果，顶管穿越隧道边线之前，对隧道变形的影响很小，隧道变形主要发生在顶管穿越隧道及穿越后的一段时间内，但地表沉降从顶管一开始顶进至通道完全顶通就始终存在。因此，制定监测方案时充分考虑了这一变形特点，分别在合理的时间段内对隧道和地表变形进行监测。5.1隧道变形监测监测仪器采LeicaTM30精密监测机器人、L型迷你小棱镜、360°棱镜等，如图7所示，其中精密监测机器人测角精度0.5，测距精度2+2ppm，即使隧道管片发生细微的变形也能被及时感知。监测频率为1次/d。棱镜监测机器人图7隧道变形监测仪器Fig.7Photographofmonitoringinstrumentsintunnel从2015年7月1～8日对下行线隧道变形进行自动化监测。隧道内共布设14个监测断面，断面编号为DGX***。其中，通道正下方隧道内加密监测断面的布设，每一节盾构管环布设1个监测断面，通道边线以外每2环布设1个监测断面。监测断面以顶管顶进轴线为中心两侧对称布置，通道中心轴线南侧由近至远分别为DGX1～DGX11，中心轴线北侧由近至远分别为DGX+1～DGX+11，如图8所示。DGX+11DGX+09DGX+07DGX+05DGX+03DGX+02DGX+01DGX－01DGX－02DGX－03DGX－05DGX－07DGX－09DGX－11DGS+11DGS+09DGS+07DGS+05DGS+03DGS+02DGS+01DGS－01DGS－02DGS－03DGS－05DGS－07DGS－09DGS－11顶管通道始发井接收井下行线上行线图8地铁隧道监测断面布置图Fig.8Layoutofmonitoringsectionsofmetrotunnels从2015年7月9～27日对上行线隧道变形进行自动化监测，上行线同样?
【作者单位】： 东南大学岩土工程研究所;东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室;中铁二十三局集团第一工程有限公司;
【基金】：国家重点研发计划课题(2016YFC0800201) 江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX17_0151)~~
【分类号】：U456

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本文编号：2536233