近距离叠交盾构隧道的二维和三维有限元分析

高铁军

近距离叠交盾构隧道的二维和三维有限元分析

高铁军

对上海青草沙隧道穿越崇明隧道的不同工况进行了计算分析,计算结果表明崇明隧道和青草沙管线隧道近距离交叉施工对青草沙管线隧道的纵向上浮有明显的影响,最后给出了对应的控制措施,对今后同类工程具有一定指导意义。

叠交,盾构隧道,沉降,数值模拟

随着对地下空间的不断利用,经常出现近距离先后施工的盾构隧道施工的问题,如日本东京的四孔近距离地铁隧道、新加坡高速公共交通系统中的四孔快速地铁隧道、俄罗斯及我国台湾的垂直双孔隧道[1]。国内深圳地铁一期工程罗湖—大剧院也出现了近距离盾构隧道穿越的情况。

这种隧道布局主要是受城市建筑物的限制和出于地下空间综合开发利用的需要,隧道施工大多采用顺序施工,因此其结果受开挖顺序的影响,产生诸如上孔结构整体下沉、地表沉降和隧道间土体不易控制等现象[2]。

本文中分别采用PLAXIS和FLAC3D程序,对不同工况下盾构隧道施工相互影响进行了二维和三维非线性分析。

1 工程概况

长兴岛域输水管线工程位于长兴岛上,起点于牛棚圩以北的丁字坝附近,与青草沙水库出水输水闸井相接;终止于永和路以南 120m左右的上海崇明越江通道东侧绿化带内,与长江原水过江管工作井相连。

输水管线由直径为 6.4m、直线线间距为 15m的双线输水隧道组成。东线总长 5 273.399m,西线总长5 273.928m。东、西线曲线个数分别为 8处和7处,全线最小平曲线半径为R=450m。

在青草沙岛域管线里程K5+120左右,崇明隧道将从管路上部斜穿,目前岛域管线隧道和崇明隧道的先后穿越工序还没有完全确定,为了保证青草沙岛域管线隧道的施工安全,我们考虑了先后穿越的每种工况情况,并进行了相关的验算。

本次二维验算采用荷兰公司开发的土力学有限元计算软件PLAXIS,计算两隧道相互影响,根据穿越阶段施工工序的可能性,考虑计算工况见表 1。

2 二维计算结果

表1 叠交穿越施工工况表

表2 土层物理力学参数

本次验算选取两隧道相互最不利位置(即里程 K 5+120左右,叠交隧道间净距为3.6m)进行模拟计算,建立了二维有限元计算模型,如图1所示,选取物理参数如表 2所示。

图 2是崇明隧道掘进施工完成后场地的整体位移,崇明隧道最大上浮位移为56.27mm。

图 3是整体应力变化图,图 4是青草沙岛域管线隧道顶部的位移,上浮最大为37.07mm,上浮所引起的隧道纵断面最大斜度变化为 1/4 558。

3 三维计算结果

叠交段区域分析采用国际通用岩土工程三维分析软件FLAC3D模拟不同次序情况下叠交隧道穿越施工,分析叠交段区域隧道变形的影响。计算分析时土体采用MOHR-COULOMB弹塑性破坏准则。验算选用的土质参数同平面二维验算。三维计算工况见表 3。

表3 叠交穿越施工工况

计算结果分析如下：1)除工况一,二,其余工况的三维计算结果显示青草沙隧道的位移上浮量比较大,最大值都超过了 50mm; 2)从二维和三维对应工况情况来看,对于青草沙隧道的位移上浮量来说,三维计算结果大部分比二维计算大。

4 结语

通过对上海青草沙管线隧道和崇明隧道的近距离叠交分析,得到如下结论：1)青草沙岛域管线隧道上浮所引起的隧道纵断面最大斜度变化为 1/969,是可以接受的,不会对隧道构成结构性影响。2)从三维计算结果来看,在叠交穿越区段,青草沙岛域管线道的纵向上浮量总体比较大。

针对以上问题建议采取下列控制措施：1)在盾构穿越过程中必须严格控制切口土压力和有关的施工参数,如推进速度、总推力、出土量等,尽量减少土压力的波动。2)在确保盾构正面控制良好的情况下,使盾构均衡匀速施工。3)在盾构穿越期间,有专职人员昼夜进行位移监测,及时观察结构的变形情况并将监测数据及时、准确地上报,并统计分析及时反馈给施工作业面,使得能够根据地面所反映的实际情况,进行正确判断,及时调整施工参数,指导施工。

[1] Yamaguchi IY,Kiritani Y.Study of ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proxim ity[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1998,13(3)：289-304.

[2] 张路青,吕爱钟.双孔圆形洞室围岩应力分析的交替法研究[J].岩石力学与工程学报,1998,17(5)：534-543.

[3] 胡岩松.ANSYS模拟隧道施工过程应用[J].山西建筑, 2010,36(3)：341-342.

The 2D and 3D finite element analyses of distance over lapped shield tunneling

GAO Tie-jun

Calculated and analysised different running conditions of Shanghai Grass sediment tunnel acrosses Chongming tunnel,the results showed that the close alternate construction of Chongming tunneland Grass sediment tunnel has a significant impacton the longitudinal floatation of Grass sediment tunnel.At last,it p resented the corresponding controlmeasures which has certain significance for future similar projects.

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U 451

A

1009-6825(2011)09-0190-02

2010-12-04

高铁军(1975-),男,工程师,天津市地下铁道集团有限公司,天津 300051