上下重叠隧道设计施工技术研究报告V7.0.doc
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2、udy habits, learning habits, good or bad learning, and what knowledge they have mastered, whether they are willing to study, whether they are willing to learn, or whether they are willing to study, and whether they are temperamental and so on. Only in this way can the target be targeted. If the foun
3、dation is relatively poor, it is necessary to review the old knowledge, accompanied by the corresponding exercises to make consolidation; learn better,上下重叠隧道设计施工技术研究报告上下重叠隧道设计施工技术研究报告铁道第三勘察设计院集团有限公司2011年7月 天津文件编制单位:铁道第三勘察设计院集团有限公司编 写:复 核:专 业 审 定:总 体 审 定:院 审 定:目录第1章 绪论51.1 研究背景51.2 国内外研究现状51.2.1 研究现状
4、51.2.2 目前研究不足101.3 研究内容111.3.1 研究内容111.3.2 研究方法111.3.3 预期研究成果及意义12第2章 盾构隧道施工理论分析142.1 单洞施工变形分析142.1.1 横向地表沉降142.1.2 纵向地表沉降152.2重叠隧道施工变形分析162.3 地层变形及结构内力主要影响因素17第3章 重叠盾构隧道施工数值模拟183.1 工程概况183.1.1 工程简介183.1.2 主要技术标准203.2 计算模型213.2.1 研究对象213.2.1 模型概述223.2.2 基本参数233.2.3 施工步骤243.3 建模结果24第4章 重叠隧道施工影响分析264.
5、1 计算工况264.2 模拟结果及分析264.2.1 施工顺序分析264.2.2 重叠隧道施工影响研究304.2.3 近距离下(侧)穿建筑(基础)39第5章 理论与实测对比分析(备)405.1 监测概况405.2 实测结果405.3 与数值模拟结果对比分析40第6章 重叠盾构隧道施工措施416.1 重叠盾构隧道施工措施416.1.1 加强管片结构416.1.2 管片间土体加固416.1.3 下洞临时内支撑426.1.4 施工要求426.1.5 实时监测436.2 其他43第7章 总结与展望447.1 研究总结447.2 进一步研究及展望44第1章 绪论1.1 研究背景随着国民经济的高速发展,我
6、国一些发达地区已经进入了大规模开发利用地下空间的时代,而地铁的建设将是我国21世纪城市地下空间开发的重点,我国已将未来城市交通轨道化发展列为今后3050年内的重点,计划将在多座城市建设地铁和轻轨等轨道交通系统,我国轨道交通事业已经进入了一个迅速发展的新时期。北京、天津、哈尔滨、沈阳、大连、西安、成都、武汉、长沙、重庆、南京、上海、深圳、广州、杭州等大城市,都在建设和规划地铁或轻轨项目。现代城市地面既建(构)筑物密集,大多数高层建筑采用桩基础,地下空间紧张,且对沉降、位移等变形控制要求极高,地铁区间隧道需要在狭窄的空间穿过。为尽量降低施工风险及桩基加固甚至托换工程费用,区间隧道上下重叠设置穿越桩
7、基方案受到越来越多的关注。此外,许多地块开发需要预留地铁通过条件,为减小预留条件对地块使用的影响,有时也按区间隧道上下重叠条件预留;对部分地铁车站,受交通、管线、既有建(构)筑物等客观因素影响,为降低工程风险、减少工程投资并减小环境影响,设置左右线站台上下重叠的侧式站台;对双线同台换乘时,亦采用上下重叠侧式站台方案,对于该类车站,端头区间隧道亦为局部上下重叠。与常规布线相比,重叠隧道所占用的地下空间小,穿越桩基数量少,选线自由度更大,影响范围减小,随着地铁建设进入高速发展阶段,采用上下重叠隧道的工程将越来越多。对于上下重叠隧道,随着双线净距越来越小,期间相互影响也越来越大,施工难度急剧增加。近
8、年来,学者在进行近接施工所带来的强度、变形等问题的研究上进行了一些有价值的工作,但仍然局限于个案,适用范围较小,缺乏统一的标准。因此,研究上下重叠隧道施工工况下结构、地层的变化及相互之间的影响,结合实际工程案例,分析经济有效施工方法与辅助手段,为今后地下空间的开发提供有力的技术支持。1.2 国内外研究现状1.2.1 研究现状1.2.1.1盾构法隧道发展用盾构法施工的构思是由法国工程师布鲁诺(Brunel)在船板上蛀虫钻孔的启示下于1818年提出的。1825年1843年布鲁诺首次在伦敦泰晤士河下采用高6.8m长11.4m的矩形断面盾构修建了全长458m的世界上第一条盾构法施工的隧道。1869年英
9、国人巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构在泰晤士河底建成了外径为2.21m的隧道。英国人格雷特海德(Greathead)综合了以往盾构施工和气压法的技术特点,较完整地提出了气压盾构法的施工工艺,首创了在盾尾后的衬砌外围空隙中压浆的施工方法,为盾构施工法的发展起了重大推动作用,并于1874年在伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中成功的应用气压盾构法法建造了内径为3.12m的隧道。盾构施工法之所以能在各国迅速发展,主要在于它具有以下优点:1、可在盾构支护下安全地开挖并安装衬砌。2、掘进速度快。盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现机械化、自动化作业、施工劳动强度低。3、施工时不影响地面交通与设
10、施,穿越河道时不影响航运。4、施工过程不受季节,风雨等气候条件影响。5、施工中没有噪声和振动,对周围环境没有干扰。6、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道具有技术与经济方面的优越性。因此,盾构施工法最适于在松软含水地层中修建隧道,在江河中修建水底隧道,在城市中修建地下铁道及各种市政设施。盾构施工法一般适宜于长隧道施工,研究资料显示,对短于750m的隧道采用盾构法施工是不经济的。因为盾构是一种价格昂贵,针对性很强的专用施工机械,对每一条用盾构法施工的隧道,都需根据地质水文条件、结构断面尺寸专门设计制造,一般不能简单的放到其他隧道工程中重复使用。此外,对隧道曲线半径过小或隧道顶覆土太浅时,施工困难
11、会较大。对水底隧道,覆土太浅时施工不够安全。当盾构施工法采用全气压方法以疏干和稳定地层时,施工条件差,对劳动保护要求较高。用盾构法施工时,在隧道上方一定范围内,特别是饱和含水松软土层,地表沉陷尚难完全防止,拼装衬砌时对衬砌整体防水技术要求很高。作为一项技术的推广,盾构工法无疑也遵循:适用、安全、经济、环保条件制约的规律。就目前我国城市轨道建设中盾构工法积累的经验证明:1、与其它地铁区间施工工法(明挖、矿山)相比,安全是盾构工法最明显的优势;2、盾构工法在城市轨道建设中的经济指标与明挖法、矿山法已相当接近,并且随着城市环境要求的提高,优势更加明显;3、盾构工法在地下水环境保护、地面沉降控制方面具
12、有非常突出的表现;逐渐形成了一种共识:只要地面能够提供盾构始发与接收的条件,都应优先采用盾构法。在区间施工降水困难、地面沉降控制要求严格的地方,盾构工法将是城轨线路区间建设的唯一方法。盾构技术的发展,大大的扩展了盾构工法在工程实践中的应用范围,同时,随着技术的进步,盾构工法逐渐与传统矿山法的工程成本达到同一水平,使盾构工法的前景更加宽广美好。随着世界经济的迅猛发展,城市建设的速度明显加快,作为代表城市发展文明程度的地下轨道交通系统逐渐兴起,作为一种环保、经济、快速的地下空间施工技术,盾构工法已在城市地铁区间施工中占据了主导位置。到目前为止我国在深圳、广州、上海、北京、天津、南京、沈阳、大连、哈
13、尔滨等地城市轨道交通工程以及国内长大山岭隧道中盾构机已得到较为普片的使用。1.2.1.2国内外工程实例目前,国内外地铁隧道近接施工实例很多。与平行隧道和穿越隧道相比,交叠隧道工程实例比较少。以下为国内外一些交叠隧道工程的实例及其特点:1、上海市轨道交通明珠线二期工程浦东南路站一南浦大桥站区间的双线盾构隧道采用上下近距离交叠掘进的空间结构型式:该区间内由于在沿隧道走向的平面内要避开内环线中山南路高架的桩基,需在该车站东西出口的区间段内先呈上下近距离交叠状布设上、下行线隧道,而在其它相邻两车站的区间段内上、下行线隧道又再转换为正常的左右平行布设;因而,在该两个区间隧道内分别有基本段、过渡段、分叉段
14、和平行段。这种因线路规划走向需要而采用的隧道布设型式,其线形复杂呈卷麻花状,在国内外均尚未出现。在交叠隧道的基本段内,上、下行线完全上下重叠,区间隧道的业垂直净间距仅为1.987m。2、深圳地铁一期工程老街至大剧院区间隧道采用左右线上下重叠的空间结构形式(矿山法施工):深圳地铁一期工程老街至大剧院区间,由于受沿线建(构)筑物的限制,两条区间隧道采取上下重叠、交错布置的形式。两条区间隧道从上下重叠逐渐过渡到水平并行,采用矿山法施工修建双洞重叠交错的结构型式,线形和结构受力均十分复杂,隧道近接施工的影响十分明显。3、深圳地铁三期工程老街站至晒布站区间隧道采用左右线上下重叠的空间结构形式(盾构法施工
15、):深圳地铁三期工程由于受老街站(车站采用上下重叠的侧式站台形式)控制,左右线隧道(左线在上。右线在下)最小净距为1.6米,从老街站以上下重叠的形式出发,逐渐过渡到水平并行,区间上下重叠及过渡段长度为740延米,其中最小间距为1.6米的小净距重叠区间长度约为264米。4、日本的京都市地铁东西线2线醒酮至二条区间和京阪电铁京津线2线山科至京阪三条区间的空间结构工程:其中连接城市中心部和东部地区醒酮至二条是新建区间隧道,而山科至京阪三条之间的京阪电铁京津线正在运营中。因地铁东西线开业后,京津线车辆可驶向东西线以西,因此,在御陵东工区就形成了四条线的区间。由于在御陵东工区路线的道路宽度较窄、并因路面
16、占用造成对路面交通的影响和施工用地的困难等,地铁东西线2线和京阪电铁京津线2线都采用了盾构施工法,在日本国内成为首例4座单线盾构隧道并设的空间结构工程。1.2.1.3地铁近距离重叠隧道研究现状1.2.1.3.1 数值解析研究在日本Misasagi东地铁方案中,LYamaguchi, LYamazaki和Y.Kiritani(1998)通过模拟施工工序,对典型断面进行了二维弹性有限元反演分析。根据施工过程中的地表变形,通过应力释放系数和土性参数成功地描述了地表的“回弹”及沉降行为,同时还模拟了盾构推进过程中的土压力变化和由于后洞开挖而作用于先挖隧洞的荷载大小。西南交通大学地下工程与岩土工程系(1
17、993)对矿山法施工的深圳地铁一期工程老街一大剧院区间双孔交叠隧道进行了数值模拟分析。其首先进行平面FLAC程序计算,并以此得出的结论为指导,利用大型通用有限元软件ANSYS进行了三维施工动态模拟,得到了在上洞隧道先行完成情况下,其结构内力、应力、位移和围岩应力、地表沉降受下洞隧道开挖影响范围、最大值和变化过程;还对各指标与围岩类别、两洞净距及相互位置的关系进行了考察,得出了对多孔,特别是双孔重叠隧道近距离隧道具有普遍意义的结论。Addenbrooke和Pons (2001)采用平面应变,结合固结的非线性有限元方法,对双隧道施工的相互作用进行了模拟。采用水平平行和垂直平行两种计算模型,分析了隧
18、道间距和建设时间的改变对地面变形的一个影响。研究结果显示,平行和重叠隧道所造成的影响不是单条隧道影响的简单叠加。隧道相对位置和间距对后建隧道引起的地面沉降曲线形状有较大影响,先建隧道的建设时间长短影响较小。当两隧道轴线距离较近时,后建隧道引起的地面沉降曲线是不对称的。上海市轨道交通4号线浦东南路站至南浦大桥站区间盾构隧道长距离叠交施工是近年来研究的热点。孙钧教授所在的同济大学学科组近年来进行了上海市明珠线二期工程上下近距离交叠隧道设计施工技术的研究,其各子项涵盖了交叠隧道的施工过程模拟、列车动载下的结构及土体动力响应分析、施工过程变形的智能预测与控制,以及多媒体视频监控与仿真模拟和施工动态三维
19、可视化研究等,其部分成果可归述如下:孙钧、刘洪洲(2001)等利用ANSYS软件建立三维弹塑性有限元模型,分析了交叠隧道土层位移及地表沉降曲面在盾构推进中的发展变化。刘洪洲(2001)应用3D-软件,对上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠隧道进行了施工引起地面沉降的三维数值模拟研究。其基于“先下后上”的盾构推进过程,采用弹塑性有限元方法,成功模拟了交叠隧道地层位移、地表沉降曲面在盾构推进期间的变化关系,得出了地面最大沉降量在上行隧道开始推进后出现大幅度增长,且在推行前期沉降增幅最为显著的结论。并给出了隧道周围土体塑性区的大小与分布,论证了要将地面沉降控制在允范围内,必须在上、下行隧
20、道施工中进行预注浆加固,以重点控制盾构推进前期的地层沉降量。徐林生(2001)将FLAC-3D软件首次应用于上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠典型地段施工地层变形及其控制对策的二维数值模拟研究中。其研究采用弹塑性土体模型,分别进行了不加固土体与加固土体情况下地面隆起与沉降的数值模拟和加固圈内土体物理力学参数的敏感性分析。得出的结论是:未加固方案下,上、下近距离交叠隧道典型地段盾构施工最终会引起周边土体和地面的过度沉降和位移变形,土体塑性区范围也很大,从而可能危及施工和周围重要建筑物的安全;在加固方案下,盾构施工最终地面隆起、沉降变形总体上可以控制在正常施工允许范围内。张璞(200
21、1)在国内首次进行了现场轨道振动加速度的测试与数定研究,使用世界知名软件ANSYS对上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠隧道进行列车振动荷载作用下的二维弹塑性及三维弹塑性动力响应分析。基于徐林生及刘洪洲的施工模拟得出的土体加固方案,分别得出了上行动载、下行动载及上下交汇动载三种情况下的隧道结构的动力响应。其二维弹塑性分析得出的结论是:隧道结构在列车动载作用下引起的最大内力增量分别为5.4%(弯矩)、1.7%(轴力)和7.4%(剪力);三维弹性分析给出的最大应力增量为13%。沈培良等(2003)采用三维非线性有限元对相邻长距离叠交隧道盾构施工的整个过程进行了模拟,研究了叠交隧道共同影
22、响下的地面沉降规律及长距离叠交情况下后建盾构隧道施工引起先建隧道的位移情况。研究结构表明,叠交隧道共同影响下的地面沉降及后建盾构施工引起先建隧道衬砌的位移和变形对隧道间的相对位移密切相关。张海波等(2005)上海轨道交通明珠线二期工程浦东南路近距离叠隧道盾构施工为研究对象,采用三维非线性有限元,对近距离叠交下后建隧道盾构施工引起老衬砌的应力和变形进行模拟,并研究了土层性质、隧道覆上厚度,隧道间相对位置、隧道间相对距离等因素。结果表明,隧道间相对距离对隧道间相互作用的影响非常大,应引起足够的重视。1.2.1.3.2实测数据分析研究Peck等(1969)研究了不同直径隧道在近距离平行、相交、重叠位
23、置的相互影响问题。指出当隧道间距大于2倍隧道直径,可以忽略相互影响的作用。但是,他们的研究没有考虑土体和衬砌刚度的变化,仅仅对几何因素进行了讨论。K. W. Log等在1986年做了多条隧道相互影响的现场量测。在新加坡高速公共交通系统中,对处于回填土、海相粘土硬冲积层的四孔平行隧道,利用测斜仪、孔隙水压计、竖管、应力计及应变仪等测量了土体水平位移、土体竖直沉降量、地表沉降量、孔隙水压力、振动、衬砌应力等多项参数。根据量测结果,对地层侧向位移、竖向位移及衬砌弯矩和轴向力等作重点分析,研究多孔隧道相互影响,得出了当另外三条隧道己开挖完成、第四条隧道正在开挖时的内力和两条基本上处于同一水平面的平行隧
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