文摘
地铁站的合理埋深应追究青岛upper-soft和lower-hard地层。强度降低方法用来研究地铁车站的安全系数在不同埋深处。随着埋深的增加,安全系数的曲线可以分为三个部分的部分慢慢改变,迅速提高的部分,逐步下降的部分。以安全系数= 1为限制,最小岩石覆盖厚度的公式推导。根据公式,安全分布随埋深变化的特点地铁站表现为三个区(D我D、E、二世)被发现。两种典型地铁站被用来验证研究结果。
1。介绍
随着中国城市化进程,地铁已广泛建造于大城市。许多地下地铁站一直进行的城市,如青岛(1)、重庆(2,大连3)等。这些隧道共同特征,如大跨度浅埋和复杂的周边环境。地质条件,是土壤和饱经风霜的层,上部的强度低,这层膜也叫薄弱层。下薄弱层,地层迅速变硬,强度高,这一层通常是由中间或弱风化岩石。因此,地层表现upper-soft和lower-hard。在这种地质条件下,两种类型的问题经常发生在施工。一种类型的问题是隧道开挖方法时过分谨慎的在坚硬的岩石,这将降低效率。其他类型的问题时周围环境的大变形隧道是在土壤或土壤和岩石的时刻。
许多研究已经进行隧道的稳定性。圆形隧道的稳定自1970年代以来在剑桥学习几个学者,例如,阿特金森和Cairncross [4),其余的(5戴维斯,et al。6];随后,环形隧道的稳定性在排水条件下研究了Muhlhaus [7]和Leca Dormieux [8]。2010年,全面分析解决方案具有任意形状的隧道已经由Fraldi和Guarracino9]。近几十年来,数值方法已被广泛用于分析隧道的稳定性问题。使用有限元法,预测了隧道施工引起的地面沉降罗和Kack10]。考虑到隧道的形状,Koutsabeloulis和格里菲思11研究了失效机理。重新分析研究了隧道在浅使用弹塑性数值方法,和一个好的协议提交监测数据和数值结果之间达成的代理等。12和太阳等。13]。
1975年,Zienkiewicz et al。14)提出了强度还原法(SRM),这是通过松井和圣15),郑et al。16,17林),和陈18),刘等人。19),姚明et al。20.马,et al。21]分析岩土工程问题,特别是滑坡。隧道是一种岩土工程;潜在的失败的位置不清楚,但边坡破坏机理是相似的。所以,SRM可以用来分析隧道的稳定性。在分析过程中,剪切强度将会彻底失败。隧道安全系数(FOS)提交和临界失效面可以获得。基于普通应变模型,斯隆和Assadi [22)使用SRM调查的情况下抗剪强度线性随埋深变化的。更高的效率,非线性规划技术来研究这种情况下通过了Lyamin和斯隆(23]。Zhang et al。24)减少强度有限元方法应用于分析公路隧道的稳定性,讨论了塑性区和减压的区别因素(SRF)。郑et al。25,26]认为SRM是一种数值极限分析方法,它不仅可以用来获取失败的安全系数和极限载荷位置和形式。
研究也进行了不同的阶层。硬摇滚、赵等。27)应用实验升值的非线性流变行为。王的upper-soft lower-hard地层,et al。28]分析了大跨度隧道的放松压力在upper-soft lower-hard地层使用离散单元法。王等人。29日]研究了上覆岩层之间的关系与跨比和地面的位移upper-soft和lower-hard地层使用有限元方法,发现地层条件的决定性因素削弱地铁站浅覆盖层。
隧道的稳定性已经在认真的考虑,和SRM方法被用来评估。在先前的研究中,放松压力和表土和跨度的关系比和大跨度隧道的稳定性研究upper-soft和lower-hard地层。然而,合理埋深不被考虑。摘要SRM和有限差分法(FDM)采用的安全系数在不同深度地铁站。通过评估”丛书规则,可以达成合理的地铁车站埋深。流程图如图1描述了过程确定的合理深度地铁站。现场监测数据证明本研究的合理性,从而指导今后设计类似的项目。
2。强还原法(SRM)
2.1。本构关系
由于高纵横比,本文的问题可以被视为一个简单应变。未能符合莫尔-库仑准则,可以表示如下: 在哪里是第一个应力张量不变量。第二偏应力张量不变量。 , ,和凝聚力,内摩擦角,分别和矿脉角。
隧道使用SRM的原理计算安全系数如图2。在计算过程中,一系列强度降低的因素(SRF)选择同步降低地层的强度。该方法已显示为表达式(2)和(3):
无衬里的隧道,一个初始值应该首先选择公司、通常略高于1。如果单隧道稳定,SRF将逐渐增加到隧道的彻底失败。如果单隧道不能稳定,另一个应该设置公司、通常略高于0,如0.1,将逐渐增加甚至失败。利用这种方法,一系列可以获得。通过数值计算,关键点的位移为每个也可以达到。
2.2。失败的标准
可以用于分析SRM隧道的稳定性。然而,SRM显著的成功取决于失败的定义。三个标准已被普遍用来定义隧道的失败。(1)标准,塑性区贯穿标准。在失败时,围岩中形成一个乐队,所有的元素都在塑性状态和乐队通过围岩将延长。然而,即使在塑性状态,围岩仍有承载力研究的松井和圣15)以及Kanungo et al。(30.]。(2)标准二世,节点位移显著增加。前的SRF位移增加显然将被视为安全系数。Zienkiewicz et al。14],格里菲斯,巷[31日)利用这个方法来分析边坡的稳定性。(3)标准III是计算不同的标准。在数值计算过程中,无法达到一个收敛的结果,这表明该模型无法达到一种平衡,即隧道是失败了Zienkiewicz et al。14)和道森et al。32]。
本文结合I和II采用标准来分析隧道的失败。首先,通过完全塑性区运行。然后,SRF当突变发生的位移作为安全系数。
2.3。关键点的位移
隧道和斜率的区别在于隧道的失败的位置是不确定。隧道可能故障位置的王冠,拱腰,或者春天拱门。因此,调查五个点(IPs)已被选定,并重点将从这些点。隧道的形象和IPs如图3。
2.4。安全系数的确定
位移的计算,可以达到每个SRF IPs。为了分析规则,IP的位移曲线变化与获得。位移突变可以评估利用角度不同或坡率 ,见表达式(4)和(5)。相应的SRF将被视为安全系数如图4。在这篇文章中,角度不同采用:
3所示。隧道不同埋深下的安全系数Upper-Soft Lower-Hard地层
风化或侵蚀的影响下,附近的地层表面的抗压强度通常是低的。层表现为土壤特性。深度的增加和风化条件减弱时,单轴抗压强度会增加,地层岩石表现为财产。因此,上层土壤的厚度有一个重要的影响在upper-soft地铁站的建筑空间和lower-hard地层。然而,上层土壤厚度的地铁是非常重要的,特别是在青岛、重庆、大连等。地铁车站的埋深是否合理与否将影响甚至决定了安全、项目的时间限制和成本。
土壤的厚度是不同的在不同的城市和不同的地方。为了分析土壤厚度的影响(ST)隧道的稳定性,七圣研究的情况下,如6米,9米、12米,18米,24米,36米,48米。
3.1。引入计算程序
连续的三维快速拉格朗日分析方法(露天)是用来模拟计算。应用FLAC3D三维显式有限差分程序,可以模拟三维岩石和土壤或其他材料的力学行为。计算域在FLAC3D软件分为许多六面体的元素,每个元素在给定的边界条件必须遵循指定的线性或非线性本构关系。如果材料屈服或塑性变形发生在元素的压力下,元素网格变形与材料的变形。这就是所谓的拉格朗日算法。显式有限差分格式是用来解微分控制方程在研究区,混合离散单元模型,它可以准确地模拟屈服,塑性流动,软化和大变形的材料。特别是在弹塑性分析的领域,大变形分析,模拟施工过程,它具有独特的优势。(1)“混合离散方法”是用来模拟塑料失败和塑性流动,这是更准确、合理的“离散积分法”,这是常用的有限元法。(2)即使模拟系统是静态的,动态的运动方程仍采用,这使得FLAC3D软件没有数值模拟物理不稳定过程中障碍。(3)采用“显式方案”计划。因此,所花费的时间解决非线性的应力-应变关系问题几乎是一样的在解决线性本构关系。此外,它不需要存储刚度矩阵,这意味着媒介容量内存可用于解决多元素结构。大变形问题的模拟几乎不花费更多的时间比小变形问题,因为没有要修改的刚度矩阵。
在这篇文章中,莫尔-库仑弹塑性准则用于模拟。显示了屈服准则如下: 在哪里 ; 是凝聚力;和内摩擦角。
屈服后,岩体的变形将弹性和塑性的综合结果。在任何压力增大,岩体的应变是由两部分组成:弹性组件和塑料组件。因此,
弹性应变分量很容易获得,塑料组件之间的关系和塑性势函数如下:
在露天,剪切塑性流动和塑性流动分别定义和对应不同的流规则。相对应的剪切塑性流动是非伴生流动法则,和潜在的功能如下: 在哪里和是扩张角。
相对应的拉塑性流动是相关联的流动法则,和潜在的功能如下:
3.2。计算模型
在图所示的通用计算模型5,在那里H地铁车站的埋深和吗H年代和Hr分别土壤和岩石的厚度。得到规则的隧道安全系数随埋深变化,25个病例为每一个决定H年代如表所示1,案件的总数是175。从这个图中,两个方程可以达到和 。当隧道是部分或完全的自由面土层,的价值Hr是零。的情况下9H年代= 12为例,如图所示的计算模型6,数值模型包括9862个节点和4792区域。在其他情况下,H和是固定的如表1。
考虑青岛地铁的地质条件,在计算过程中,土壤和饱经风霜层已随着土层和middle-weathered略有风化层已被视为摇滚层。由于地下水不丰富的这种情况下,本文是专注于围岩的稳定性,水是被忽视的。地层参数如表所示2。剪切膨胀的影响还没有被考虑。
3.3。一般规律
当隧道浅,增加SRF,隧道将达到一个临界状态。隧道的剪切应变增量(例3H年代= 6)如图7。围岩的坍塌位置在拱顶,模式是拉伸破坏。深隧道(例19H年代= 6),剪切应变增量的临界状态稳定性如图8。围岩的坍塌位置在墙角落和剪切破坏模式。然而,拱顶位移也会变得很大。5 IPs的位移分析了针对不同情况如图9。
5 IPs的位移变化,如图9。IP1的位移和IP2是消极的,突然变化时等于0.895。IP3的位移、IP4和IP5是正,突然变化时等于0.895。自从5 IPs几乎相同的灵敏度,IP1被选为目标点。
3.4。土壤厚度的影响
不同的圣,地铁车站的安全系数在不同埋深计算。从这个数据,安全系数变化的曲线与埋深不同的圣。曲线如图10。
从图10,一些规则可以被获得。首先,与埋藏深度的增加,安全系数的曲线可以分为三个部分:部分慢慢改变,迅速增加的部分,逐步减少部分。曲线是非线性和非单调,它通常提供了一个增加然后减少的趋势。第二,圣显著影响安全系数,当隧道进入岩层,峰值”丛书将迅速增加。第三,在土层隧道时,安全系数变化很小,安全系数远小于1的值。第四,在一般情况下,安全系数降低当圣增加以及安全系数降低的最大价值。最后,当隧道的埋深超过200米,这里的所有圣下埋深相同。当隧道埋深超过一定深度,圣的影响将会消失。
安全系数迅速增加在岩层隧道时,和学习规则明确,界面附近的曲线的一部分已被剪下如图11。
当隧道进入从土壤到岩层,安全系数变化的曲线与双相障碍几乎是线性的。因此,隧道的埋深可以达到安全系数= 1,最小岩石覆盖厚度的关系(LRCT)和ST和最大的关系比土壤岩石厚度(MRSR)和圣,如图12和13,分别。
如图12,LRCT扩大与增加圣LRCT和圣之间的关系几乎是线性的。因此,线性拟合被用来预测LRCT见公式(11)。0.975 r平方的线性拟合,证明了公式是合理的。使用这个公式,LRCT可以获得不同的圣。
从图13当圣生长,MRSR增加。MRSR和圣几乎是线性的关系,所以一个线性拟合可以用来预测MRSR在各种圣预测公式所示公式(12),R广场是0.986,证明了公式的有效性。
当圣不同6 - 48米,可以保证预测的精度。如果圣不在这个区间,预测应进一步研究。在视图的地质条件和开发现状深度在青岛et al .,间隔6 - 48米就足够了;因此,预测公式是更可取的确定在青岛地铁车站的埋深。
从图10,对于任何BD,安全系数将达到一个最大值在一定深度,这意味着隧道的安全存储达到一个高峰。几个指标变化与圣的规则,如最大安全系数(MFOS)埋深(BD)和岩石厚度(RT)如图14。
通过分析双相障碍的关系和RT与圣,线性拟合可以用于预测公式所示(13)和(14)。的R广场是0.9932和0.9714,分别证明了方程的有效性。这两个方程可以很容易地用来预测BD和RT最大安全系数在不同圣因此,方程可以指导的决心为地铁车站埋深。
4所示。三个区和讨论
如果以安全系数= 1为临界点,能不能带的上限和下限,命名为E区。区上方和下方E区称为D我和D二世区,分别。通过计算,三个区域如图的分布图15。
从图15的分界线我和E区和E和D的分界线二世区可以通过公式计算(15)和(16),分别为:
三个区隧道的特点是普遍的。特征之间的关系通常是由地面压力和地层的自立的能力。静地压力与BD如图线性增加16。对地面附近的区,地层是软弱和不连续。隧道不能自平衡即使地面压力低。随着BD增加,地质外生的行动将会疲软。隧道的能不能将迅速增加,抵抗地球静压力的影响。然而,随着BD进一步增加,地面压力增大,但地层的强度和自营能力并不增加。围岩的峰容量,和建设将是困难的。
两个实际工程可能发生变化:首先,E区不存在;第二,维我不存在。第一个,当圣大,隧道进入地面压力主要区围岩的自给能力之前迅速增加。第二个,基岩出露地表的自给能力高,和D我区将会消失。
当设计,更好的地铁站是E区,可以改善安全、加快进度、降低成本。地质勘探工作的基础上,合理埋深可以根据地质结果和地铁特点决定的。当地铁车站建于E区,该项目将更安全、成本较低的观点项目的全生命周期。
5。典型的项目
青岛地铁3号线的总长度为25.925公里。整个地下线。有22个地铁站和最大、最小值,以及电台之间的平均距离是1558.70米,759米,1159.81米,分别。基于从几千钻井、地质数据层的分布地图在第3行可以通过分析获得的地质参数,如图17。
5.1。埋深、地质条件的关系
三种类型的地质区域可以地铁站。地铁站的时候完全是在土壤区,它属于土壤类型。地铁站是完全在岩层时,它属于岩石类型。当地铁站部分土层中,部分岩层,它属于接口类型。不同的埋深,三种类型的概率为青岛地铁3号线如图18。随着埋藏深度的增加,土壤类型的概率略有减少,岩石类型的概率增加快,迅速和接口类型的概率减少。当埋深超过20 m,岩石类型的概率超过90%。然而,3号线的埋深4.7米和19.8米之间。根据实际工程调查,地铁站是接口的还是摇滚的。两个地铁站被选为典型案例分析的分布区域,属于岩石类型和接口类型,分别。
5.2。Junfeng路站
Junfeng路站的里程范围是甘蓝型+ 803.295∼甘蓝型+ 982.795,长度是179.5米,这是一个地下双层岛站。支持结构复合衬里,宽度20.8米和18.4米的高度。CRD法采用原始设计。拱顶的埋深7.3米和15.4米之间。Junfeng路站是一个典型的岩石类型,和车站停留在风化花岗岩如图19。使用公式(15),D的分布我和E区本站可以得到如图20.。
从图20.Junfeng路站在E区。它应该很容易构建。合同的时间是从6月1日,2010年9月30日,2012年,852天。建设的实际时间是1671天。延迟时间是819天,这是由于周围环境,如房屋拆迁和交通规则,而不是项目本身。从车站属于岩石类型,CRD法已经改变了CD法更多的效率。这个决定是由基于监测数据。监测点的布局和沉降值随时间变化如图21和22。沉降值远小于报警值(0.03米),对周边环境的影响和structure-self是可忽略不计的。完全,因为Junfeng路站建在E区,该项目不仅节省了时间,也提高了安全性。
5.3。江西路站
江西路站的开始和结束里程数K8美丽+ 358.491,+ 605.491,分别。车站的长度是247米。这个站是复合衬砌的支护结构。站的宽度是20.6米,站的高度是14.5米。地下室的埋深4.70∼10.4米的范围。车站使用双方构建方法。
江西路站为接口类型是一个典型的例子。的上部站在饱经风霜的花岗岩,但下部略风化花岗岩如图23。使用公式(15),D的分布我和E区本站可以得到如图24。
从图24、江西路站在D我区,这将在施工过程中造成麻烦。合同时间是2010年6月1日至1月31日,2013年和975天。在实际施工中,时间是2127天。和持续时间是1152天,大概是3年。一个原因是,复杂的开挖方法是缓慢的过程。另一个原因是,位移过大影响周边环境的安全。地面沉降的措施的布局点图所示25。典型的沉降值点K8 + 414断面如图26。位移大于报警值(0.03米),最大的价值是0.063米。解决造成不同程度的对地面交通的影响。,时间延迟和有害变形是由地质条件因为江西路站不是建在E区但在D我区,属于接口类型。图的研究结果24,这个车站的埋深深度超过5米。在这个深度,隧道将在E区,施工难度和成本也会大大降低。
两个项目的实践表明,在E区建立空间站是更好的比D我区,由于监测数据和施工时间。E区,围岩的恶化概率和严重程度远低于D我区。工作和维护成本将更少。因此,当确定地铁在城市的埋深与类似的地质条件,地质条件应被视为最重要的因素,和设计地铁到E区将提高安全性和降低成本。
6。结论
(1)upper-soft和lower-hard地层,地铁车站的安全系数与不同埋深已经获得的SRM,规则是明确的,结果是合理的。(2)地铁站的BD upper-soft lower-hard层,增加安全系数的变化可分为三个部分:一部分慢慢改变,迅速增加的部分,逐步减少的部分。(3)圣对安全系数有很大的影响。当地铁站属于土壤或接口类型,安全系数小于1,在慢慢的改变的部分。隧道进入岩层完全时,安全系数会增加迅速,达到最大值。BD不断增加时,安全系数会逐渐减少,等于1时BD是580米。(4)在upper-soft lower-hard层,上层土壤地层隧道的影响可以被视为一个负载。如果BD浅,负载的影响是不同的,并随着BD的增加,减少的影响。如果BD超过200米,土壤厚度的变化几乎没有影响地铁车站的安全系数。(5)以安全系数= 1为临界值,沿层深方向的分布三个区域(D我、E、D二世区)获得,这是普遍的。分界线的D我和E区,双相障碍之间的关系,LRCT, MRSR,和圣获得和被实践验证项目,如江西公路和Junfeng路站在青岛地铁3号线。E和D的分界线二世研究区,它是不变的。由于没有深隧道在青岛市,DII区尚未验证本文,它在未来将被验证。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(51678495和51678495号)。