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        大跨度隧道平行下穿既有車站旅客通道的施工風(fēng)險(xiǎn)分析*

        2018-08-20 06:00:16趙秀紹莊錦彬石鈺鋒
        城市軌道交通研究 2018年8期
        關(guān)鍵詞:變形工程施工

        趙秀紹 莊錦彬,2 方 燾 石鈺鋒

        (1. 華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 330013 南昌;2. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司, 361010, 廈門//第一作者,副教授)

        隨著城市地鐵規(guī)模不斷擴(kuò)大,相繼出現(xiàn)新建地鐵隧道近距下穿既有車站的情況。然而,隧道近接施工是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過程,再加上地下工程本身的復(fù)雜性,這就給隧道穿越工程的安全控制帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

        針對隧道下穿車站施工的問題,國內(nèi)外學(xué)者已做了一些相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]采用三維有限元模型研究某地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有通道力學(xué)行為,得出了既有通道沉降和附加的應(yīng)力變化規(guī)律;文獻(xiàn)[2]結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測對小間距雙線隧道近距下穿車站時(shí),工作面錯(cuò)距、注漿橫通道與車站結(jié)構(gòu)間距對車站及地表沉降的影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法,分析了新建雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿施工過程中誘發(fā)車站結(jié)構(gòu)變形的特征;文獻(xiàn)[4]對某隧道盾構(gòu)施工近距離下穿既有地鐵出入口人行通道的施工過程進(jìn)行分析,得出了其地層變位規(guī)律及對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[5] 運(yùn)用FLAC3D軟件建模,分析了某一隧道下穿既有車站出入口時(shí),引起上部車站出入口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降變形的情況;文獻(xiàn)[6] 分析對比了既有車站不同沉降控制措施的有效性;文獻(xiàn)[7] 對某隧道下穿既有運(yùn)營隧道的最小理論凈距進(jìn)行了探析。

        通過文獻(xiàn)調(diào)研不難看出,下穿隧道開挖對既有車站旅客通道的影響研究較少,且以往研究多是基于下穿隧道正交或斜交于車站旅客通道的情況。本文基于某既有車站軌道交通土建預(yù)留工程折返線隧道穿越其旅客通道工程,針對其從旅客通道正下方長距離平行下穿狀況及開挖跨度大的特點(diǎn),通過定量與定性分析對該工程的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行前期探析,并提出安全風(fēng)險(xiǎn)控制建議。研究成果可為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        該既有車站軌道交通土建預(yù)留工程折返線隧道起終點(diǎn)為DK0+193.273—DK0+549.001,全長355.73 m。區(qū)間隧道正穿車站南站房、進(jìn)出站旅客通道及北站房,最大埋深為30.8 m,最小埋深為16.0 m。折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段下穿鐵路股道的同時(shí)軸線基本與進(jìn)出站旅客通道平行,隧道拱頂與通道底板距離為9.0~10.0 m,折返線隧道與車站旅客通道空間位置關(guān)系見圖1及圖2。

        圖1 隧道與通道位置關(guān)系橫剖面圖

        單位:cm

        圖2 隧道與通道位置關(guān)系縱剖面圖

        2 風(fēng)險(xiǎn)定性分析

        2.1 隧道特征

        隧道為單洞雙線隧道,斷面開挖寬度為14.1 m,開挖高度近10.0 m,屬大斷面大跨度隧道。隧道的形狀和尺寸是其開挖擾動(dòng)范圍的重要因素。隧道跨度越大,自然成拱越高,松動(dòng)區(qū)就越大,易產(chǎn)生塌方冒頂。

        2.2 地層條件

        隧道洞身穿越地層主要為全風(fēng)化、散體狀及碎裂狀的強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖,屬于軟弱圍巖,強(qiáng)度低,壓縮性高、自穩(wěn)及自承能力差。該地層條件會(huì)加大隧道塌方及旅客通道變形過大的風(fēng)險(xiǎn)。

        2.3 周邊環(huán)境

        折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段長距離平行下穿旅客通道,隧道開挖對旅客通道下部巖體擾動(dòng)極大,施工風(fēng)險(xiǎn)極高。此外隧道周邊布有車站樁基,最小凈距僅為2.6 m ,且區(qū)間隧道施工至火車站站線范圍時(shí),鐵路線路為運(yùn)營狀態(tài),列車動(dòng)荷載及隧道開挖擾動(dòng)相互影響。

        3 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

        該工程為在軟弱圍巖中進(jìn)行大跨度隧道開挖。隧道下穿股道段風(fēng)險(xiǎn)源眾多,一旦發(fā)生塌方或者大變形,將嚴(yán)重威脅工作人員生命安全。此外,鑒于該車站旅客通道為變形敏感的重要構(gòu)筑物,與隧道位置臨近,如果隧道施工引發(fā)地下通道開裂滲水等問題,可能會(huì)引起旅客恐慌,并對鐵路運(yùn)營安全造成極大隱患。因此,在對以上風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,有必要結(jié)合定量分析對隧道近接施工可能產(chǎn)生旅客通道的安全隱患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

        由于本文限于依托工程的初期風(fēng)險(xiǎn)評估,考慮到數(shù)值模擬中較難精細(xì)化到旅客通道變形縫,且現(xiàn)實(shí)中變形縫的存在將使得通道相對柔性,減小結(jié)構(gòu)受力,加上該工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)較高,會(huì)嚴(yán)格控制隧道施工對通道的影響,故對旅客通道變形縫暫不進(jìn)行深入討論(后續(xù)研究中開展)。

        3.1 模型建立

        采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬。該模型地表面為實(shí)際環(huán)境條件,模型中左、右側(cè)(X方向)邊界距離洞邊的距離約為洞跨的5倍,即左右各取70 m,下邊界(Z方向)取3倍隧道開挖高度,上邊界取至地表面車站結(jié)構(gòu)底面,縱向?qū)挾热?20 m。以上取值可滿足消除邊界效應(yīng)的要求。模型邊界條件:頂面為自由邊界,底面為固定邊界,4個(gè)側(cè)面約束法向位移,模型細(xì)部情況見圖3。

        圖3 隧道工程數(shù)值模型細(xì)部圖

        基于地勘資料及文獻(xiàn)調(diào)研,相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮:采用 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,圍巖及地下通道、車站、樁采用三維實(shí)體單元,襯砌采用殼單元;鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮,即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土;管棚加固區(qū)以及超前小導(dǎo)管注漿,參考工程經(jīng)驗(yàn)及前人相關(guān)研究結(jié)論[14],采用提高彈性模量、黏聚力量值加以模擬;隧道結(jié)構(gòu)的附近采用細(xì)密單元。

        表1 隧道工程數(shù)值物理力學(xué)參數(shù)

        按TB10001—2005《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的換算土柱法,得列車及軌道等效荷載為60 kN/m。數(shù)值模擬基于安全考慮,隧道按全斷面循環(huán)開挖考慮。

        3.2 結(jié)果分析

        下穿隧道開挖結(jié)束后,調(diào)取旅客通道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相應(yīng)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行變形及應(yīng)力變化分析。

        以圖2中DK0+380為起點(diǎn),DK0+480為終點(diǎn)(隧道開挖方向),選取隧道開挖結(jié)束后通道頂、底板中線節(jié)點(diǎn)豎向位移進(jìn)行分析(見圖4)。

        圖4 車站旅客通道豎向位移

        圖4表明: ① 隧道開挖結(jié)束后,該區(qū)段通道頂、底板豎向位移變化走勢基本一致,且沿隧道開挖方向有減小趨勢,但后期趨勢趨于平緩; ② 因隧道先后開挖順序原因,引起位移累積效應(yīng),導(dǎo)致頂、底板最大位移均位于旅客通道起點(diǎn)處,頂板最大位移為7.84 mm,底板最大位移為7.76 mm。

        基于圣維南原理,選取旅客通道中間橫截?cái)嗝娴膽?yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,即可反映隧道下穿隧道開挖結(jié)束后對通道產(chǎn)生的附加應(yīng)力效應(yīng)。選取DK0+430處通道橫截?cái)嗝孢M(jìn)行分析,以通道左端為起點(diǎn)、右端為終點(diǎn)(以X軸正方向?yàn)榛鶞?zhǔn)),對隧道開挖前后通道頂、底板豎向應(yīng)力變化進(jìn)行分析(見圖5、6)。

        圖5 車站旅客通道頂板豎向應(yīng)力

        圖5、圖6表明: ① 車站旅客通道頂板中間部位的豎向應(yīng)力受隧道開挖影響不明顯,但其它部位豎向應(yīng)力較隧道開挖前有顯著增大,最大增幅達(dá)76.8%; ② 隧道開挖后,在隧道上部區(qū)間形成的應(yīng)力松弛區(qū)向上擴(kuò)散,使旅客通道底板除中間部位豎向應(yīng)力受隧道開挖影響較小外,其他部位均呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛。

        圖6 車站旅客通道底板豎向應(yīng)力

        4 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

        鑒于該工程風(fēng)險(xiǎn)大,故結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn),在嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上[9-13],制定了詳細(xì)監(jiān)測方案(見表2)。因車站處于運(yùn)營狀態(tài),為使工程風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍,具體措施多為隧道內(nèi)施工控制措施,因此,必須加強(qiáng)車站及其相關(guān)附屬設(shè)施的監(jiān)測,以進(jìn)一步確保工程安全(監(jiān)測是風(fēng)險(xiǎn)控制重要手段之一)。此外,在類似建(構(gòu))筑物沉降控制值的文獻(xiàn)[15-17],考慮到風(fēng)險(xiǎn)源眾多,結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及專家意見,適當(dāng)提高了控制標(biāo)準(zhǔn),所制定的控制標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。

        表2 隧道工程監(jiān)測方案

        數(shù)值分析表明,車站旅客通道變形在允許范圍之內(nèi),滿足設(shè)計(jì)和施工要求,但變形情況較接近預(yù)警容許值(見表3),且實(shí)際施工時(shí)存在眾多不可控因素。為確保隧道本身及周邊建構(gòu)筑物的安全,施工時(shí)仍應(yīng)盡量減小對地層的擾動(dòng),同時(shí)應(yīng)用監(jiān)測網(wǎng)對既有建(構(gòu))筑物進(jìn)行實(shí)測反饋,及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工參數(shù),并視情況決定是否采取相應(yīng)加固措施。

        表3 隧道工程監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

        在對重要監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測的同時(shí),為確保隧道本身安全及既有車站正常運(yùn)營,應(yīng)結(jié)合施工過程得到的監(jiān)測數(shù)據(jù),從多方面采取細(xì)化控制措施。在條件許可的情況下,可考慮對路基、進(jìn)出站旅客通道、隧道周邊圍巖等采取進(jìn)一步的加固措施,如長管棚超前預(yù)支護(hù)+注漿小導(dǎo)管徑向注漿等,并建立預(yù)警機(jī)制及制定相應(yīng)的應(yīng)急方案。

        5 結(jié)論

        (1) 隧道DK0+380—DK0+480區(qū)段從既有車站旅客通道正下方長距離平行下穿,其工程特點(diǎn)導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)加大。因此,必須采取合理有效加固、支護(hù)措施(相比非下穿段,采取管徑更大的預(yù)支護(hù)管棚、加密鋼拱架布置等措施),并加強(qiáng)監(jiān)控,保證隧道施工與旅客通道的安全。

        (2) 旅客通道頂部最大變形量為7.84 mm,底部最大變形量為7.76 mm,最大變形位于通道起點(diǎn)頂、底板中間位置,變形量保持在監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),但最大值已接近容許預(yù)警值。因此,應(yīng)對地下通道四周土體采取進(jìn)一步加固措施,減小圍巖擾動(dòng)效應(yīng)。

        (3) 鑒于車站結(jié)構(gòu)及旅客通道均為重要構(gòu)筑物,且施工過程仍存在不可預(yù)知因素,工程施工仍面臨潛在風(fēng)險(xiǎn),因此,應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),及時(shí)對設(shè)計(jì)與施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,必要時(shí)可綜合考慮采用地表預(yù)加固或隧道內(nèi)注漿等必要手段,以保證車站結(jié)構(gòu)及旅客通道的正常安全運(yùn)營。

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