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        盾構(gòu)隧道近距離下穿在建城際車站影響分析

        2018-12-20 10:59:42龍喜安
        鐵道勘察 2018年6期
        關(guān)鍵詞:廣佛東平右線

        龍喜安

        (廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,廣東廣州 510010)

        城市軌道交通建設(shè)中盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物的風險控制與保護是一項重大研究課題。近年來,國內(nèi)已有學者對該領(lǐng)域進行了一系列研究。譚富圣[1]對地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋群樁基礎(chǔ)保護方案進行了研究,通過擴大板基礎(chǔ)托換的實施,大幅減少施工期間既有樁基沉降。郭靚[2]對淤泥質(zhì)軟塑地層盾構(gòu)下穿客運專線設(shè)計進行了分析,提出“盾構(gòu)注漿加固+隔離樁”的加固方案,并采用橋梁 “頂升法”作為應(yīng)急預案,預防盾構(gòu)下穿鐵路施工中的風險。歐陽林等[3]對高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構(gòu)隧道施工過程的路基沉降影響進行了分析。周劍[4]研究了盾構(gòu)掘進對 U 形槽和橋梁樁基的影響并進行了數(shù)值模擬分析。吳大勇[5]等創(chuàng)新性地將 R/S分析法引入盾構(gòu)下穿機場過程中的地表變形規(guī)律研究中,為及時調(diào)控施工參數(shù)提供了一定的依據(jù)。阮雷[6]等研究了新建盾構(gòu)隧道施工對既有鐵路路基的影響并進行了數(shù)值模擬分析。已有研究多為針對區(qū)間上方建構(gòu)筑物已經(jīng)完工,建構(gòu)筑物已采取了相應(yīng)保護措施的條件下去分析盾構(gòu)下穿對建構(gòu)筑物的影響。佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站區(qū)間隧道盾構(gòu)處于始發(fā)施工階段,盾構(gòu)需要近距離下穿廣佛環(huán)城際鐵路東平新城站。經(jīng)溝通協(xié)調(diào),廣佛城際東平新城站結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ),并預留節(jié)點供盾構(gòu)通過,待東平新城站主體結(jié)構(gòu)頂板封頂后,三號線盾構(gòu)再下穿通過,可大大降低安全風險。

        但后期由于兩者工期沖突,三號線右線盾構(gòu)下穿車站前,右線盾構(gòu)上方車站中板已實施完成,且第一、二道砼支撐已經(jīng)拆除(未完成頂板封頂),左線隧道上方車站頂板已完工。因此,需要針對三號線盾構(gòu)區(qū)間施工對廣佛城際既有在建車站的安全影響進行評估和分析。通過建立車站主體結(jié)構(gòu)與圍護結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道為一體的三維整體本構(gòu)耦合模型,從施工步驟的實際狀態(tài)出發(fā),分步驟進行模擬,記錄每一狀態(tài)下連續(xù)墻的變形和內(nèi)力變化。

        1 工程背景

        廣佛城際東平新城車站位于君蘭路正下方,呈東西向布置,橫跨文化南路、華章路。車站周邊規(guī)劃以商業(yè)、行政辦公、綠化、居住用地為主。車站總長740 m,為地下2層側(cè)式站,車站標準段寬約51.72 m,基坑深約20.60 m,采用明挖順筑法施工。

        佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站盾構(gòu)區(qū)間下穿廣佛城際東平新城站。經(jīng)與廣佛城際東平新城站溝通協(xié)調(diào),其結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ),并預留節(jié)點供盾構(gòu)區(qū)間通過。在穿越東平新城站兩側(cè)1 m范圍增加直徑為1.5 m的樁基礎(chǔ),在盾構(gòu)區(qū)間穿越連續(xù)墻9 m范圍內(nèi),連續(xù)墻鋼筋采用玻璃纖維筋。右線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站底板最小距離為0.851 m,左線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站底板最小距離為0.808 m,區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站樁基礎(chǔ)均約1 m,如圖1所示。

        圖1 區(qū)間穿越東平新城站斷面關(guān)系(單位:mm)

        該工程位置地質(zhì)條件較為復雜,屬于深厚軟弱地層。根據(jù)詳勘報告[7],地質(zhì)縱剖面從上至下土層分別為:(1-1)素填土、(2-1)淤泥質(zhì)土、(2-2)淤泥、(3-1)粉砂、(3-2)細砂、(3-3)中砂、(3-4)粗砂、(4-1)粉質(zhì)黏土、(7-2)強風化巖、(8-2)中風化巖層。地下水主要有兩種基本類型,分別為松散層孔隙水和基巖裂隙水,土層物理力學參數(shù)如表1所示。

        表1 土層物理力學參數(shù)

        2 三維有限元分析

        2.1 分析工況

        采用5個施工步驟來進行模擬(即分為5個工況),其中,第1施工步驟模擬基坑開挖前初始狀態(tài),第2施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前中板已完成的狀態(tài),第3個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前拆除第二道支撐狀態(tài),第4個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前拆除第一道支撐狀態(tài),第5個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿車站狀態(tài)。具體工況如表2所示。

        2.2 有限元模型

        結(jié)構(gòu)板墻主要參數(shù)如表3所示,根據(jù)結(jié)構(gòu)空間立體關(guān)系及施工特點,建立的三維有限元計算模型如圖2、圖3。采用實體單元模擬地層,采用板單元模擬車站結(jié)構(gòu)、連續(xù)墻、隧道管片,采用梁單元模擬內(nèi)支撐等。分析采用水土分算的模式,采用摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層。三維有限元計算模型的邊界條件為:模型底部為Z方向位移約束,模型前后面為Y方向約束,模型左右面為X方向約束。

        表2 分析施工步驟

        圖2 初始狀態(tài)有限元模型

        圖3 東平新城站與三號線左右線隧道關(guān)系有限元模型

        表3 結(jié)構(gòu)板墻主要參數(shù)

        3 盾構(gòu)下穿條件下連續(xù)墻三維模擬結(jié)果及其分析

        本模型共有十多萬個單元。為節(jié)約計算時間,便于收斂,第1、2計算步驟先計算出右線隧道下穿前的初始應(yīng)力狀態(tài),并將第1計算步驟的位移清零。第3至第4計算步驟計算拆除混凝土支撐引起連續(xù)墻的位移、內(nèi)力等的變化,第5步施作右線盾構(gòu)下穿車站,根據(jù)該變化值來判斷右線隧道下穿對連續(xù)墻的影響。

        3.1 連續(xù)墻變形

        圖4~圖6為右線隧道下穿對連續(xù)墻水平位移、豎向位移和總位移云圖。

        計算結(jié)果顯示,由于支撐拆除和右線隧道下穿,連續(xù)墻產(chǎn)生了位移,如表4所示。

        圖4 右線隧道下穿連續(xù)墻水平位移云圖

        圖5 右線隧道下穿連續(xù)墻豎向位移云圖

        圖6 右線隧道下穿過程連續(xù)墻總位移云圖

        mm

        根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可知:隨著支撐拆除和右線盾構(gòu)隧道下穿,車站連續(xù)墻的水平位移、豎向位移、總位移有一定變化。連續(xù)墻變形主要來源分為兩部分,一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的變形,另一部分為盾構(gòu)穿越連續(xù)墻和剩余混凝土支撐拆除產(chǎn)生的變形,其中地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的變形占大部分。連續(xù)墻最大水平位移,豎向位移,總位移值分別為27.83 mm、1.367 mm、27.94 mm,均小于30 mm,盾構(gòu)下穿對連續(xù)墻變形影響很小。

        3.2 連續(xù)墻內(nèi)力

        圖7、圖8為右線隧道下穿時的連續(xù)墻彎矩和剪力云圖,連續(xù)墻彎矩和剪力如表5所示。

        圖7 右線隧道下穿連續(xù)墻彎矩云圖

        圖8 右線隧道下穿連續(xù)墻剪力云圖

        施工步驟彎矩/(kN·m)剪力/kN初始應(yīng)力階段連續(xù)墻未實施連續(xù)墻未實施右線盾構(gòu)下穿車站前階段1403.8467.9拆除第二道混凝土支撐1401.9443.1拆除第一道混凝土支撐1402.0442.7右線盾構(gòu)下穿階段1405.4442.4

        由表5可知,右線隧道下穿過程中連續(xù)墻最大彎矩值為1 405.4 kN·m,最大剪力值為467.9 kN。連續(xù)墻內(nèi)力主要來源分為兩部分,一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的內(nèi)力,另一部分為盾構(gòu)穿越連續(xù)墻和剩余混凝土支撐拆除產(chǎn)生的內(nèi)力變化;連續(xù)墻配筋滿足要求。

        4 隧道下穿過程中實際監(jiān)測結(jié)果

        盾構(gòu)施工過程中,應(yīng)對盾構(gòu)機的推進速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進行嚴格控制,保證24 h連續(xù)、平穩(wěn)作業(yè),及時進行同步及二次補充注漿。施工中應(yīng)嚴格貫徹信息化施工原則,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化及時調(diào)整各項盾構(gòu)掘進施工參數(shù)。盾構(gòu)下穿過程中連續(xù)墻未出現(xiàn)裂縫,處于正常受力狀態(tài),連續(xù)墻實際監(jiān)測最大水平位移,豎向位移,總位移值分別為25.74 mm、1.421 mm、26.83 mm,小于30 mm,處于正常范圍之內(nèi)。

        5 結(jié)論

        (1)通過建立三維有限元模型,分析盾構(gòu)下穿過程中對車站圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響, 結(jié)果表明,盾構(gòu)下穿對連續(xù)墻變形影響很小。廣佛城際東平新城站結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ),預留了節(jié)點供盾構(gòu)區(qū)間通過,理論計算中盾構(gòu)下穿不會對廣佛城際東平新城站產(chǎn)生影響。

        (2)現(xiàn)場盾構(gòu)施工過程中,通過對盾構(gòu)機的推進速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進行嚴格控制,盾構(gòu)下穿過程中車站圍護結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫,圍護結(jié)構(gòu)變形處于30 mm之內(nèi),未超過規(guī)范容許值,實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論值接近,確保了廣佛城際東平站在建過程中盾構(gòu)順利通過。

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