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        基于強度折減法的某新建隧道下穿客運專線的穩(wěn)定性分析

        2018-05-09 07:56:51田明杰周鵬發(fā)
        四川建筑 2018年2期
        關(guān)鍵詞:沙坪壩沙坪壩區(qū)右線

        田明杰, 陳 行, 周鵬發(fā)

        (西南交通大學(xué),四川成都 610031)

        重慶市軌道交通九號線線路西起沙坪壩區(qū),北至渝北區(qū)兩路,線路大體呈“先由西向東,再往北的走向”,是軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分。線路主要途徑沙坪壩區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)、渝北區(qū)。起點位于沙坪壩區(qū)高灘巖,向北至沙坪壩,向東經(jīng)小龍坎、土灣、紅巖村至化龍橋片區(qū),然后跨越嘉陵江進(jìn)入江北區(qū),經(jīng)螞蝗梁、觀音橋、鯉魚池、江北城、五里店、頭塘、保稅港后線路進(jìn)入渝北區(qū),途徑石盤河、上灣路、服裝城大道、寶桐路至線路終點回興。線路起點為CK0+000,終點為CK32+276.269。線路全長約32.276 km,其中地下線30.234 km,高架線2.042 km。共設(shè)24座車站,其中地下站22座,高架站2座。全線平均站間距1.34 km。最大站間距2.011 km(青崗坪站~寶圣湖站),最小站間距0.841 km(李家坪站~螞蝗梁站)。

        1 工程概況

        1.1 地質(zhì)概況

        重慶軌道交通九號線一期工程天梨路至沙坪壩站區(qū)間(以下簡稱為天沙區(qū)間)位于沙坪壩區(qū)沙鐵村和紅槽房小學(xué)附近,周邊環(huán)境較復(fù)雜,下穿建構(gòu)筑物眾多以及成渝客專沙坪壩樞紐站場路塹段。天沙區(qū)間根據(jù)地質(zhì)條件和線路埋設(shè)深度采用暗挖法施工。隧道主要穿越侏羅系中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖,區(qū)間右線起止里程右CK1+750.848~右CK2+735.898,長985.050 m,其中右線已由環(huán)線沙坪壩站施工通道利用并代建105.672 m(含二襯)。項目位置如圖1所示。

        圖1 項目位置

        1.2 區(qū)間隧道與成渝客專相互關(guān)系

        重慶軌道交通九號線一期工程天梨路~沙坪壩區(qū)間位于沙坪壩區(qū),設(shè)計起訖里程為CK1+762.897~CK2+768.939,全長1 006.042 m。其中下穿成渝客專路塹段為YCK2+163~YCK2+205段,共約42 m,其平面關(guān)系,縱斷面關(guān)系如圖2、圖3所示。

        圖2 平面關(guān)系

        圖3 縱斷面關(guān)系

        要下穿原始丘陵地形,地表以原始地貌為主,局部經(jīng)開發(fā)后形成為城市生產(chǎn)生活區(qū)。隧道埋深一般較大,屬深埋隧道。下穿關(guān)系立面圖如圖4所示。線路平面平面曲線段半徑為500 m。區(qū)間線路受控條件主要為區(qū)間兩端車站即天梨路站和沙坪壩站(基坑已建,為九號線、一號線與環(huán)線換乘站)以及九號線與環(huán)線空間關(guān)系。

        圖4 下穿情況立面關(guān)系

        右CK1+180~右CK1+198.324段下穿在建成渝高鐵段位于沙坪壩背斜東翼,巖層單斜產(chǎn)出,巖層產(chǎn)狀為50~130°∠4~6°,擬修建隧道距地表埋深為20.32 m,成渝客專標(biāo)高為248.3 m。線路縱斷面受到天梨路站和沙坪壩站條件影響,以及沿線周邊環(huán)境,區(qū)間線路最大縱坡為4 ‰,最小縱坡為2 ‰。

        2 分析方法原理

        強度折減法是通過對圍巖的剪切強度代表值進(jìn)行不斷的折減直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止。下面以服從摩爾—庫侖準(zhǔn)則的材料為例來闡述強度折減法的基本原理。

        令w為強度安全系數(shù),折減后的圍巖強度可以表示如下:

        根據(jù)以上的式子可以得出:

        式中:c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力;φ、φ′分別為初始內(nèi)摩擦角和極限內(nèi)摩擦角修正值。

        強度折減法的主要優(yōu)點有:(1)不需要假定破壞面;(2)通過分析可以比較直觀地反映圍巖的實際破壞面。

        3 數(shù)值計算

        3.1 計算模型

        計算采用平面應(yīng)變計算模型如圖5所示。其中計算模型橫向取86.98 m(左邊界距隧道中線43.49 m、右邊界距隧道中線43.49 m),豎向取隧道下方21.99 m,隧道上方取20.52 m,實際地形建模。從上到下土體依次為人工填土、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化泥巖。采用實體單元,一共建立了1 904個單元來進(jìn)行數(shù)值模擬。模型服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

        圖5 計算模型

        3.2 計算參數(shù)

        結(jié)合地勘資料、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn),進(jìn)行圍巖、初支、二襯等的物理力學(xué)參數(shù)選取,具體如表1所示。

        表1 圍巖、鐵軌和道床物理力學(xué)參數(shù)

        3.3 列車荷載計算

        列車荷載采用ZK荷載,如所示,參考TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》和TB 10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中列車荷載換算土柱法,路基上荷載包括兩部分:

        (1)列車軸重產(chǎn)生的荷載:

        Q=250/1.6=156.25 kN/m

        (2)由軌道、軌枕、道砟、路基等自重產(chǎn)生的荷載:

        P=66.49 kN/m

        最終可換算為3.7 m寬的均布荷載,其大小為60.2 kPa。

        但考慮到列車的動力系數(shù)k=1.4,軸重產(chǎn)生的擬靜力荷載為:

        Q′=kQ=1.4×156.25=218.75 kN/m

        因此最終作用在路基上的荷載為:

        Q′+P=218.75+66.49=285.24 kN/m

        同樣采用換算土柱法,可換算為3.7 m寬,大小77.09 kPa的均布荷載。

        列車荷載加載如圖6所示。

        圖6 列車荷載示意

        3.4 整體穩(wěn)定性分析

        對于裸洞開挖、分別考慮只挖左線隧道、只挖右線隧道、開挖左右線隧道3種情況、對于初支、二襯也同樣考慮只挖左線隧道、只挖右線隧道、開挖左右線隧道3種工況,共計9種工況,以下對左右線同時開挖進(jìn)行分析。

        3.4.1 裸洞開挖

        數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖且無支護(hù)條件下,隧道豎向(z方向)位移如圖7所示。通過強度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖8可知,左右線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.88,處于安全狀態(tài),地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為1.76 mm、3.31 mm。

        圖7 左右線開挖的豎向位移云圖

        圖8 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

        3.4.2 施做初支

        數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖且有初期支護(hù)條件下,隧道豎向(z方向)位移如圖9所示。通過強度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖10可知,有初支的隧道結(jié)構(gòu)開挖完后的整體安全系數(shù)為3.14,處于安全狀態(tài),地表最大沉降為1.01 mm。

        圖9 帶初支結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

        圖10 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

        3.4.3 開挖左右線并施作初支+二襯

        數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖有二襯的條件下,隧道豎向(z方向)位移如圖11所示。通過強度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖12可知,有二襯結(jié)構(gòu)的隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為4.55,處于安全狀態(tài),地表最大沉降為0.74 mm,拱頂最大沉降0.28 mm。

        圖11 帶二襯結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

        圖12 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

        通過對9種工況計算進(jìn)行匯總得到地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)如表2所示。

        4 結(jié)論

        通過數(shù)值計算,對計算結(jié)果進(jìn)行匯總,得到以下結(jié)論:

        (1)裸洞、初支和初支+二襯安全系數(shù)均大于1,滿足規(guī)范要求。

        (2)先開挖右線隧道的地表沉降在裸洞、初支、二襯的情況下安全系數(shù)均大于先開挖左線隧道,地表最大沉降則相反。故建議先開挖右線隧道,再開挖左線隧道。

        表2 地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)匯總表

        (3)地表沉降依次是裸洞>初期支護(hù)>初支+二襯,同時開挖左右線>僅開挖左線>僅開挖右線,最小地表沉降為0.41 mm(僅開挖右線、初支+二襯),地表位移均大于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(0 mm)。

        (4)在施工期,建議對成渝客專受區(qū)間隧道施工影響范圍進(jìn)行實時、自動化監(jiān)測,以便時刻掌握成渝客專是否受影響及其受影響程度,從而確保成渝客專的運營安全。

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