文摘
双面标题的方法通常是用于建造大跨度和断面隧道。的开挖导坑是复杂的,因此施工效率很低。基于广州地铁的地下开挖隧道项目,传统的双面标题的部分开挖顺序优化方法是根据实际情况。Midas / GTS软件用于有限元分析,地面沉降的位移和内力和支撑结构在两个不同的部分挖掘序列计算,并且计算结果与现场监测数据进行比较。计算结果表明,两种挖掘序列的影响支护结构的位移并没有太大的区别,但对支护结构的内力的影响显然是不同的。支护结构的应力值优化开挖造成的序列比较大,特别是临时仰拱,但它是在可控的范围内。优化开挖顺序施工表面增加,大大提高了施工效率,降低工程成本,可以为城市地铁隧道的施工提供了参考,今后类似的工程条件下。
1。介绍
城市交通设施的快速发展,出现了越来越多的隧道项目。由于相对稠密的人口和建筑物在地面上,许多地下钢管桩基础,和地铁,隧道工程施工安全要求高,任何疏忽都可能导致事故(1,2]。地下隧道的建设将打扰周围的建筑(结构),这将导致建筑物的变形,甚至威胁到生命安全的相关人员在严重的情况下(3- - - - - -5]。因此,地下隧道的变形和稳定控制是城市隧道工程的关键技术环节(6- - - - - -9]。
与其他隧道开挖方法相比,双面标题方法有优势在控制地表沉陷和地表水平位移10- - - - - -12]。双面标题的方法,国内外许多学者深入研究了结构的安全性和稳定性(13- - - - - -17)、土壤粒子属性(18- - - - - -22),和围岩的变形规律23- - - - - -25)在施工过程中使用的现场监测方法[26- - - - - -28),模型试验(29日- - - - - -31日[],数值模拟分析32- - - - - -34),但很少有研究的优化施工方法。由于开挖部分的数量,复杂的施工过程,工程造价高,施工速度慢的双面航向的方法,它需要优化(35]。曾(36)双面标题优化开挖部分的方法,增加上部开挖部分的面积,提高建设效率;杨et al。37)优化隧道的支护结构穿越卵石土层,以及控制地表沉降和减少施工风险;李等人。38)优化的施工步骤双面标题法,采用开挖形式的上下部分,保留核心中间岩柱土层,加快了施工进度,提高了隧道的整体稳定性。
建筑一步支持结构的影响还没有深入讨论在上面的研究。在此基础上,在广州地铁车站的地下开挖隧道作为本文的工程背景。隧道大截面,是一个大型的高度差之间的下导坑横通道的上导洞主线隧道施工完成时。很难运输工人、机器和材料。因此,挖掘序列进行了优化。Midas / GTS软件是用于有限元分析。结合现场监测数据,支护结构的位移和内力在不同开挖顺序进行比较来分析结构的安全与稳定。最后,选择一个合理的开挖顺序经过仔细考虑施工成本,施工期间,施工安全。优化施工方案不仅确保了隧道结构的安全与稳定,而且也大大提高了施工效率,为类似的工程条件下隧道提供一定的参考。
2。工程概述
地下开挖隧道区间位于西区的十字路口以东约300米的黄埔大道和Xiancun路,这是连接到东区Xiancun站。两个露天轴设置,其余是地下挖掘通道。左线长163.845米,经过黄埔大道隧道平行,穹窿是大约16.9从底部的黄埔大道隧道。正确的线长51.72米,是铺设在黄埔大道南边,和从地面约25米。左派和右派之间的交叉线长37.35米。地下开挖隧道区间的总体布局图所示1。
隧道的施工方法采用双面标题的方法。建设序列挖掘上层部分,构建支撑结构,然后挖掘降低部分建设后的上部分已经完成。每日施工是1米的镜头。有限元模型的建模和分析在此基础上的工作状态。
3所示。施工优化方案
双面标题的主要原则的方法是把大部分隧道使用中间的墙成小区域,每个小区域可以分为上部和下部飞行员隧道,避免应力集中。具体的部分如图2。常见的部分开挖顺序是左和右部分构造支持系统形成的时间,然后构造中间部分,即①-④②⑤-③⑥。优化开挖部分的序列是挖掘上左和右飞行员隧道第一,中上导洞,然后左右飞行员隧道越低,最后中央导坑越低,即①-②③④⑤⑥。
4所示。数值模拟
4.1。计算模型和边界条件
模型地层从上到下是普通填充、中粗砂,塑料残积土、强风化泥质粉砂岩,中等风化泥质粉砂岩,略有风化泥质粉砂岩。模型包括轴、横向通道,主线隧道,隧道上方基坑。根据把定律,当模型的大小是3到5倍的隧道跨度,对模型边界效应的影响可以被忽略39]。因此,整个模型的边界是120的X方向,140年Y方向,和50米Z方向。模型元素的总数是130161,网格节点的总数是76573,如图3。
(一)
(b)
4.2。材料本构和参数
莫尔-库仑本构模型采用简单的填补,中粗砂,塑料残积土、强风化泥质粉砂岩(40]。中等风化和略有风化泥质粉砂岩针对摩尔-库仑本构模型采用修改后的因为他们的相对完整的岩石结构和硬摇滚的质量。支撑结构如喷射混凝土、螺栓、网格钢框架和型钢采用弹性本构模型。每个材料的物理力学参数如表所示1。
最初支持横向通道和隧道采用网格钢框架和喷射混凝土的形式,和弹性模量的初始支持计算刚度等效的方法(41]。最初支持的等效弹性模量计算平均绩点25.382,和临时支护的等效弹性模量为29.064绩点。
4.3。模拟施工步骤
原施工方案和优化施工方案使用数值模拟比较。原施工计划方案我和优化施工方案是方案二。计划我的具体施工步骤如下(S代表施工步骤)。(1)初始应力场分析(是):激活原始地层,重力,数值模型的边界条件和清除位移来模拟隧道时的状态没有发掘。(2)挖掘轴和基坑和构建支撑结构(S2)(3)挖掘上(S3-S40)、中(S41-S78)和低(S79-S116)试点隧道横向通道,构建支撑结构(4)挖掘1和2 (S117), 4和5 (S118), 3 (S119)和6个试点隧道(S120)主线隧道的序列,和每个导洞的支撑结构是构建在一施工步骤重复以上步骤,直至建设完成;计划我总共包括159建设步骤。方案二的具体施工步骤如下:(1)初始应力场分析(是):激活原始地层,重力,数值模型的边界条件和明显的位移来模拟隧道时的状态没有发掘。(2)挖掘轴和基坑和构建支撑结构(S2)。(3)挖掘上(S3-S40)和中间(S41-S78)飞行员隧道横向通道,构建支撑结构。(4)挖掘1和2 (S79)和3飞行员隧道(S80)主线隧道的序列,和每个导洞的支撑结构是构建在一施工步骤。(5)重复以上步骤直到主线隧道的建设上部分完成(S79-S99)。(6)挖掘低(S100-S137)导洞的横向通道,构建支持结构。(7)Excavat 4和5隧道(S138)和3个试点的主线隧道隧道(S80)序列,和每个飞行员隧道的支护结构是构建在一建设步骤;
重复以上步骤,直到施工完成后,和第二方案包括159建设步骤。
5。结果
5.1。分析表面解决横向通道
模拟计算后,地表沉降曲线的横通道施工步骤为横坐标绘制,如图4,监控部分Y= 70。
图4显示最后一个表面解决横向通道是11.77毫米。对地表沉降影响最大的横向通道的开挖导坑的横向通道,与沉降值约为8.22毫米,占总数的69.8%结算值。第二次是上导洞开挖的主线隧道,和沉降值增加从9.19毫米到10.99毫米,占总数的15.3%结算值。中低飞行员的开挖隧道的横通道和下导坑主线隧道对地表沉降影响不大的横向通道。原因是最初的支持是及时开挖后的构造上节中,扮演了一个角色在支持和限制土壤的垂直位移。因此,横向上导洞开挖的通道是一个重点建设的过程,和监控现场施工期间应加强。
地表沉降数据横向通道的部分Y= 70年选择了数值模型与现场监测数据进行比较和分析。现场施工进度,施工横通道上导洞的已经完成,和中间导洞开挖了6米。对比结果如图5。
图5表明,地表沉降的趋势结果横向通道的现场监测数据和数值模拟基本上是相同的,但现场监测的沉降值是大于数值模拟。现场监测的最终沉降值是13.69毫米,这是比数值模拟的结果大66.6%。数值模拟结果小的原因是,该模型忽略地下水的影响(42,43]。只有自重应力被认为是岩石和土壤质量,和构造应力的影响被忽视了。变形的岩石和土壤质量被认为是各向同性。这些简化和假设的数值模拟结果小于实际沉降值。
5.2。隧道位移分析的初步支持
最初支持的位移值是根据监测中提取点如图6,监控表面位于X= 50 m和相应的隧道开挖距离10米。图7显示最初支持在不同方案下的位移曲线。从图可以看出,沉降值从大到小的隧道拱顶、拱肩,拱腰,拱脚。的沉降值正确的初始支持略大于左侧,因为上面有一个基坑左边最初支持,降低了土壤按上行,因此解决了最初的支持是小。计划我,当开挖表面没有达到监测表面,监视点的一些地区有轻微的位移。开挖达到监测表面后,位移的初始支持增加的进步开挖面,最后趋于稳定。
(一)
(b)
方案二,隧道开挖的影响最初的支持是分为两个部分。第一部分的上层部分的开挖隧道。这时,拱顶和拱肩大和解,和解的拱腰很小。第二部分的较低部分的开挖隧道,它有一个小的影响整体的初步支持。低的开挖导坑的横向通道对隧道的位移影响很小的初始支持。每个监测的最终位移值的隧道初始支持不同施工方案下表所示2。
表2表明,拱顶的沉降值和左、右拱脚在方案二是4.6%,77.8%,和44.1%,低于计划我,而左边和右边的沉降值都能和拱腰是16.4%,17.7%,和56.1%,高于58.9%的计划,我分别和拱底隆起值是3.5%高于计划I的位移值拱腰和拱脚的两个施工方案是完全不同的。计划的原因是我挖掘的部分两边,然后挖掘中间部分在最初支持两岸形成了一个闭环;方案二是挖掘上层部分,然后挖掘较低的部分在上节结束后。支持建设序列的两个施工方案不同,所以拱腰和拱脚的压力条件下是完全不同的,与最终沉降值也不同。
总之,不同的开挖引起的位移法的初始支持序列是大致相同的。方案二世对初始位移的影响略大的支持,但是在可控范围内。三个试点隧道的开挖是一个关键的施工过程,所以需要提前做好支持和及时的构造初始控制垂直位移的支持。低的开挖导坑的横向通道几乎没有影响隧道支持完成。
5.3。隧道支护结构的应力分析
图8图显示了云的主要原则的压力支撑结构在不同方案的隧道开挖完成。从图可以看到,最大主应力分布和价值隧道支护结构的两个方案基本上是相同的。最初的支持,大多数拱肩和拱腰被压缩,一小部分是张拉在隧道的前面。大部分的拱顶和拱底是压缩的,一小部分是张拉在隧道的尽头。临时的支持,大部分的临时仰拱和中间的墙是张拉;附近的临时仰拱隧道的两端和中间的墙附近的临时仰拱将被压缩。中间的墙隧道的应力值大于的临时仰拱和中上墙的应力值大于中下的墙。
(一)
(b)
5.3.1。初始1-Pilot隧道的支持
最初支持的应力值是根据监测中提取点如图9,监控表面位于X= 45米,和相应的隧道开挖距离是5米。见图8的应力值最初的支持是对称的,所以只剩下的初始支持选择进行分析。
图10 ()显示的压力时程曲线的初始支持1-pilot隧道方案二。从图可以看到,最初支持的应力值降低,1-pilot隧道的开挖上部分,和开挖时应力值从正到负的上层部分。下导坑,不同于横向通道,挖掘,挖掘在接近隧道可能会稍稍增加初始压应力的支持。开挖表面通过隧道表面后,初始的应力值保持稳定的支持。最后,较低的部分的隧道挖掘。当开挖面没有到达监测表面的压应力值初始支持增加部分开挖。开挖表面通过监测表面后,最初支持的应力值基本保持稳定。
(一)
(b)
压力时程曲线的初始支持1-pilot隧道的两种方案进行了比较。自下导坑开挖的横向通道对初始的应力值影响很小的支持,这部分的数据丢弃在比较,和建设步骤重新排序。的比较的时程曲线的初始支持压力1-pilot隧道两个方案如图10 (b)。可以看到,应力值的变化规律的初始支持两个施工方案基本上是相同的。每个监视隧道初始点的应力值支持不同施工方案下表所示3。从表中可以看出,方案二是7.7%的最大拉应力高于计划我和最大压应力是240%高于方案。因此,双方的第一个建筑支撑结构可以及时分发围岩压力较低的支持,最初支持上的应力值降低,更有利于结构的安全。
5.3.2。临时1-Pilot隧道仰拱
临时仰拱的应力值是根据监测中提取点如图9。从图可以看出11临时仰拱的应力值1-pilot隧道的计划我在早期迅速增加开挖与隧道开挖慢慢减少。临时仰拱的应力值方案二世1-pilot隧道的增加不断的上层部分隧道开挖时,开挖时达到了高峰上的最后部分。然后,较低的部分的开挖隧道的快速减少临时仰拱的应力值与挖掘,继续减少。如表所示3,最大应力值和应力值在完成临时仰拱隧道开挖的方案二比计划的高出173%和101%,分别。临时仰拱的应力值计划我将远低于计划二世因为双方的支承结构挖掘。临时仰拱的应力值计划我将远低于计划二世因为双方的支承结构挖掘第一,和压力系统的封闭空间可以更快地形成。
5.3.3。中间的墙1-Pilot隧道
从图可以看出12的总体趋势,应力值的中隔墙1-pilot隧道的两个计划先增加,然后缓慢下降。所不同的是,方案二会导致干扰中间墙时挖掘的上半部分和下半部分,分别和应力值有两个波动点。如表所示3,最大应力值和应力值在完成隧道开挖中隔墙的方案二分别为12.4%和5.5%高于计划,分别。
总之,初始的应力值和临时支持在计划方案二是高于我,但均在可控范围内。因此,当采用第二方案建设,有必要加强支护结构的监测,尤其是临时仰拱,确保施工安全。
5.3.4。整体比较
图13显示了整个隧道支撑结构的压力图挖掘隧道时根据不同的方案在10米。隧道支护结构方案的压力我是小拱肩,拱腰,和临时仰拱、和压力主要是集中在拱顶,中间的墙,拱脚和拱底。最大拉应力为7.71 MPa位于右侧中间的墙。最大压应力−0.65 MPa位于最初支持在右边。因为建筑的上部的支撑结构,拱腰的压力和临时仰拱在方案。方案二比,最大拉应力为9.86 MPa位于临时仰拱在右边。最大压应力−0.98 MPa位于最初支持在右边。因此,可以分享的下部结构的上部结构的荷载,提高整体结构的安全与稳定。
(一)
(b)
6。结论
根据数值模拟数据,在分析地表位移,位移,应力特征支撑结构的双面标题在不同开挖方法序列,结论如下:(1)通过比较数值模拟日期和地表沉降监测数据的横向通道,可以看出两种方法之间的表面沉降的变化规律是相同的,这表明,地层的变形规律的模拟该模型基本上是一致的。基于这个模型,双面标题的开挖顺序方法可以定性研究。(2)与原方案相比,优化后的施工方案有较高对支护结构的影响,特别是临时仰拱,但它是在可控的范围内。优化施工方案首先挖掘隧道的上层部分,然后较低的部分,这解决了隧道高度差大的问题和困难,运输工人,机器,和材料,增加了施工表面,大大提高施工效率,缩短了施工周期。优化施工方案可以提供一个参考类似工程条件下城市地铁隧道建设的未来。
数据可用性
所有数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认提供的财政支持下的中国国家自然科学基金批准号51978177。