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三孔小净距隧道近接下穿过水箱涵的变形控制研究

李士忠  
【摘要】:我国城市化进程越来越快,建设地下轨道交通的案例越来越多。在轨道交通工程建设时,由于周边施工环境复杂、线路交错纵横以及建设顺序不同,新建隧道下穿既有地下结构的情况越来越多。为了缓解交通出行的压力,将会建设更多的三孔及三孔以上的小净距隧道。然而,由于三孔小净距隧道形式的复杂性和特殊性,隧道之间及隧道下穿过程中影响大,隧道施工也必然会造成周边环境及自身的扰动,进而对三孔隧道的正常使用和安全造成影响。因此,研究对三孔小净距隧道下穿既有地下结构施工过程中的力学响应及变形控制,对实际施工具有重要的意义。本文以济南地铁R3号线中三孔小净距隧道近接下穿过水箱涵施工工程为依托,采用两阶段分析法建立过水箱涵在Winkler弹性地基上Timoshenko梁的控制微分方程并对方程进行了求解,通过材料力学知识求得过水箱涵的最大容许挠度,提出过水箱涵的变形控制指标。采用MIDAS/GTS软件,研究三孔隧道不同施工工序、三孔隧道与过水箱涵之间的间距H不同对过水箱涵变形的影响,探讨施工过程中是否需要加固处理。(1)通过能量法求得Timoshenko梁的控制微分方程,对微分方程进行推导。在弯矩与剪力共同作用下梁产生的挠度为梁的总挠度,其中弯矩为主要因素,在一般情况下只考虑弯矩的影响,Timoshenko梁理论在无剪力条件下等价于Euler-Bernoulli梁理论。(2)运用材料力学知识,将过水箱涵简化为受均布荷载的简支梁来计算最大容许挠度,最终计算可得知梁结构的最大容许挠度与材料的极限拉伸应变、梁结构的计算高度和跨长有关,最大容许挠度与梁跨长成正比,与梁计算高度成反比。(3)利用三维有限元,对实际工程进行计算分析,研究三孔隧道在不同施工顺序情况下,三孔隧道变形及对隧道洞周围岩应力的影响,将不同结果进行对比,选择出最优施工方案。(4)新建三孔隧道与过水箱涵之间的距离H与隧道间净距B的比值,即深径比H/B分别为:0.4、0.7、1.0、1.5,分析四种下穿施工情况对过水箱涵沉降位移的影响。在三孔隧道近接下穿过水箱涵过程中,沉降叠加效应随间距H的增加而增加,当深径比小于一个数时,三孔隧道对于过水箱涵沉降的影响最终趋向于单孔隧道各自下穿的情形。当深径比小于一定范围时,随着间距的增加,过水箱涵的沉降越来越大;当深径比超过一定范围时,过水箱涵的沉降一般随间距H的增大而减小,近似于双孔隧道的变形,这是塑性变形和叠加两者共同作用的结果。(5)三孔隧道施工过程中,当左线盾构隧道施工完成后,过水箱涵沉降曲线符合Peck公式假定的沉降值以及其分布特征,出现“单峰(U型)”的基本分布形态,当右线盾构隧道施工完成后,两隧道净距大于3倍隧道的直径,过水箱涵沉降曲线则呈现“双峰(W型)”分布形态,当施工矿山法隧道时,在近接施工的情况下,各洞室的沉降不能忽略,因此三孔隧道的沉降曲线呈现“双W型”分布形态,过水箱涵的沉降曲线在三孔施工时符合多孔隧道叠加的规律。过水箱涵的最大沉降为5.4mm,大于过水箱涵最大容许挠度3.2mm,经过分析可知,三孔小净距隧道下穿过水箱涵施工过程中,需要对过水箱涵进行加固处理。(6)对过水箱涵进行加固后,控制变形效果明显,控制效果为注浆+大管棚加固﹥注浆加固﹥大管棚加固﹥无加固措施,采用注浆+大管棚加固措施能够将过水箱涵变形控制在允许范围内。(7)由于现场情况不能直接对过水箱涵进行监测,为了掌握过水箱涵的变形趋势,现场对隧道拱顶下沉以及地表沉降进行了监测,间接地对过水箱涵进行分析,且监测数据与模拟数据能够相互印证,在模拟过程中,过水箱涵的变形符合要求,模拟结果能够较好地反映本工程的真实情况。


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